石油化工過程及裝備課程教學中項目設計的應用

崔巍　張穎　馬云闊　李偉　龍飛飛

【摘 要】本文分析石油化工過程及裝備課程教學中項目設計教學環節的意義，提出石油化工過程及裝備課程教學中項目設計教學環節的實施措施。

【關鍵詞】項目設計 石油化工過程及裝備 卓越工程師

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）10C-0060-02

2010年6月23日，教育部在天津大學召開“卓越工程師教育培養計劃”啟動會，聯合有關部門和行業協（學）會，共同實施“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”）。東北石油大學的過程裝備與控制工程專業是國家級和省級“卓越計劃”試點專業，石油化工過程及裝備是過程裝備與控制工程系根據“卓越工程師”培養要求，對該專業課程進行調整和整合出的一門專業主干課程。本文試以東北石油大學為例，對石油化工過程及裝備課程進行項目設計教學研究和探討，以培養學生解決實際問題能力，并促進構建具有鮮明工程教育特色的卓越工程師培養體系，為進行專業認證奠定良好基礎。

一、項目設計教學環節的意義

石油化工過程及裝備是一門綜合性、實踐性較強、涉及知識面較廣的課程。該課程既具有較強的理論性又緊貼工程實際，對學生畢業后從事設備專業及相關工作具有舉足輕重的作用。為了提高課程教學質量，有必要引進項目設計教學環節。

項目設計教學環節是在學生掌握了有關基本知識和分析的基礎上，在教師精心策劃和指導下，根據教學目的和教學內容要求，運用實際案例設計，通過學生的獨立思考和集體協作，提高學生自主學習的能力，培養其解決實際問題的能力。

石油化工過程及裝備是過程裝備與控制工程專業的核心課程，該專業培養模式以專業核心課程的學習為專業能力培養的基礎。在石油化工過程及裝備課程的教學過程中，通過項目設計的訓練，可以使學生加深對課程主要知識點的理解和掌握，加深對核心知識點與典型設備設計之間的對應關系的掌握，從而以一個未來工程師的角色定位面對本專業課程知識的學習。

二、項目設計教學環節的實施措施

針對學生設計能力差、對課程中學習到的典型設備設計不會應用、理論聯系實際能力差、繪圖能力差等問題，為了解決問題，實現卓越工程師的培養目標，從2013年開始，東北石油大學過程裝備與控制工程專業在石油化工過程及裝備課程中增設了項目設計環節，注重培養學生對典型設備的設計思路與方法，它通過實際案例的設計，使學生深入理解典型設備設計的過程，更重要的是讓學生掌握如何利用所學理論知識去解決工程實際問題。

（一）項目設計教學環節培訓目標。石油化工過程及裝備課程項目設計教學環節是配合學生在學習了有關設備類課程的基礎理論和基本知識后，對基本技能的訓練，培養學生設計能力和解決實際問題能力。通過本項目設計教學環節，使過程裝備與控制工程卓越工程師教育培養試點專業的學生掌握過程裝備中典型設備的工藝計算、結構設計和強度計算，以及工藝流程類圖的閱讀和繪制等。

（二）培訓對象。石油化工過程及裝備課程項目設計教學環節的典型過程設備包括換熱器、塔設備和反應器。過程裝備與控制工程專業3個班，90人，采用小組合作學習的方式，分成30組，每組3個人。30組對應30個設計題目，其中10個換熱器題目，10個塔設備題目，10個反應器題目，每組3個人的部分設計參數不同。學生通過課下以完成大作業的形式進行項目設計，課上配比4個學時供教師與學生研討，制訂了詳細的實施計劃，規定每一個環節必須達到標準后才能進入下一個環節，更好地保障設計任務的完成。

（三）項目設計教學環節的內容。具體如下：

1.化工工藝圖。為了促使學生熟練閱讀工藝流程圖、掌握工藝流程圖的繪制原則，在這部分實訓內容，需要每名學生繪制1張帶控制點的工藝流程圖并撰寫工藝流程；繪制1張輔助管道系統圖。

2.典型過程設備設計。完成一種典型過程設備的設計計算。以苯-甲苯連續精餾塔設計為例。

設計條件如下：在常壓連續篩板精餾塔中精餾分離含苯41%的苯、甲苯混合液，要求塔頂餾出液中含甲苯不大于4%，塔底釜液中含甲苯量不低于96%（以上均為質量分數）。苯、甲苯混合液處理量6t/h；泡點進料；操作回流比取為最小回流比的1.8倍；塔頂壓強，4kPa（表壓）；熱源，低壓飽和水蒸氣；單板壓降，不大于0.7KPa。

設計步驟如下：（1）工藝計算。運用給定的工藝參數進行工藝計算，采用圖解法求得理論塔板數，如圖1所示，圖解得NT=12-1=11（不含塔釜）。其中精餾段NT1=5塊，提餾段NT2=6塊塊，第6塊為加料板位置。并得到部分塔的操作工藝條件及相關數據。根據工藝計算數據，然后進行結構設計。（2）設備的結構設計。根據塔設備的常用結構，參考有關資料和規范確定塔的各零部件的結構類型和尺寸，并進行塔板上的流體力學驗算，得到塔板負荷性能圖。（3）設備的強度計算。根據規范和相關標準對設備進行強度、剛度、穩定性進行設計和校核計算。（4）撰寫設計計算說明書及繪制設備的總裝配圖。通過前面的工藝計算、結構設計及強度校核，每名學生撰寫一份設計計算說明書，并繪制相應設備的裝配圖。

圖1 苯-甲苯氣液相平衡曲線及圖解理論板層數

3.化工過程模擬軟件的應用。利用化工流程模擬系統ChemCAD對塔的工藝參數和結構參數進行輔助設計和操作性能的驗證。首先選擇精餾單元的Shortcut模塊，算出最小理論塔板數及相關數據，然后用SCDS模塊依據此塔板數，計算出塔頂、塔底組分是否滿足給定的工藝條件，得到相關數據，模擬得到塔頂苯的摩爾分率95.999998%滿足要求，模擬得到塔板數為15塊，進料板位置為第8塊。最后采用了最優化方法中的靈敏度分析，以進料板位置為自變量，以再沸器負荷與回流質量流率為因變量，分別得到再沸器熱負荷、回流質量流率隨進料板位置變化的曲線，如圖2、圖3所示。由圖2可看出，第10塊塔板進料時，再沸器熱負荷最小，第8塊塔板到底11塊塔板進料，熱負荷變化較小。由圖3可看出，第10塊塔板進料時，回流量最小，第8塊塔板到底11塊塔板進料，回流量變化較小。通過對比，軟件模擬和計算稍有差別，軟件模擬對過程進行了優化，找到最優的進料板。

圖2 再沸器熱負荷隨進料板位置變化的曲線

圖3 回流質量流率隨進料板位置變化的曲線

4.成績組成。項目設計環節占石油化工過程及裝備課程成績的30%，這30%組成包括4個部分，化工制圖部分占30%，工藝設計計算部分30%以及設備設計與制圖部分占40%。

經過以上項目設計環節的訓練，可以培養學生以下方面的能力：設計化工過程設備能力；繪制工藝流程圖、設備裝配圖等化工制圖的能力；應用化工流程模擬軟件進行設備設計模擬與分析，學習優化設計，從而降低成本的能力。同時，由于采用小組學習的形式，每組學生的設計條件相近，經常在一起研究設計，因而也可以提升團隊意識，培養吃苦耐勞的精神。

總之，項目設計教學環節使得學生從實際工程問題出發進行本專業課程知識的學習，激發學生對實際工程問題的興趣，引導他們探索并掌握解決實際工程問題的途徑與方法，也為學生從事石油石化設計工作打下基礎，是高等工程教育的有利途徑。

【參考文獻】

[1]馬云闊，楊文強.高校推進協同創新的問題與對策研究[J].國家教育行政學院學報，2015（7）

[2]莊哲民，沈民奮.基于CDIO理念的1級項目設計與實踐[J].高等工程教育研究學報，2008（6）

[3]顏志勇.基于項目設計與制作的《機械設計基礎》教學設計[J].當代教育實踐與教學研究，2016（6）

【基金項目】黑龍江省教育科學“十二五”規劃2014年度課題“‘卓越計劃背景下石油化工過程及裝備（卓）課程建設研究”（GBC1214004）；黑龍江省高等教育教學改革項目“基于‘卓越計劃的過程裝備專業工程認證體系建設”（JG2014010652）；東北石油大學研究生教育教學改革研究項目“基于職業資格認證的全日制專業學位研究生培養模式改革”（JGXM_NEPU_201401）

【作者簡介】崔 巍（1984— ），女，博士，東北石油大學機械科學與工程學院講師，研究方向：壓力容器設計和無損檢測評價。

（責編 劉健華）