模塊化智能實驗裝置在化工精餾實驗教學中的應用

葉向群，邱君鑾，張 林

模塊化智能實驗裝置在化工精餾實驗教學中的應用

葉向群，邱君鑾，張 林

（浙江大學 化學工程與生物工程學院 化工類虛擬仿真實驗中心，浙江 杭州 310027）

精餾實驗是重要的化工單元操作實驗，學生僅僅通過單一的實驗過程無法對精餾有深入的理解。采用模塊化智能實驗裝置模擬化工過程，可以讓學生利用該平臺便捷地進行各種精餾實驗操作。化工流程模擬豐富了精餾實驗的教學內容，并為后續化工實驗教學方式的創新和變革帶來可能。

實驗教學；精餾實驗；過程模擬

精餾是利用液體混合物中各組分揮發能力的差異達到液液分離目的的單元過程，作為單元操作廣泛應用于石油、化工、輕工、食品、冶金等行業。精餾過程技術成熟，且涉及到動量傳遞、熱量傳遞以及質量傳遞，在化工基礎實驗教學中，精餾是重點學習的單元操作之一。讓學生在實驗室條件下認識多體系、全過程的精餾單元操作，對培養他們面向實際的工程能力和創新能力十分必要[1]。

1 存在問題

由于化工實驗教學所需教學設備投資大、占地面積大，受設備結構及實驗場地所限，學生往往只能按照實驗指導書所列步驟完成實驗，驗證理論結論，過程形式單一，主觀能動性不能很好地發揮。對于實驗結果與理論的偏差，學生往往將其歸結于儀器偏差、測量誤差，無法真正地了解個中原委，不利于培養學生分析問題、解決問題的能力。針對這些問題，許多高校在實驗教學裝置的設計改造上做了各種創新[2-4]。

就精餾實驗而言，分離介質多涉及易燃易爆化學品。出于對安全性、可靠性及實驗室場地限制的考慮，精餾實驗教學精餾體系的選擇往往比較單一，如乙醇-水體系，實驗設備基本不能自由拆裝組建。學生面對這樣簡單固化的實驗裝置，無法了解各種精餾工藝過程體系的全貌，難以進行最基本的精餾過程動態操作學習，以致有的學生工作后當面對工廠精餾塔的操作、技改等具體問題時，不能快速應對，缺少對精餾單元整體直觀的把握能力，更無法將所學的知識融會貫通。

2 解決途徑

利用計算機進行輔助教學是解決精餾實驗固化裝置上述弊端的好方法，例如進行化工過程模擬。通過數學模型描述單元過程，模擬完整的化工流程，從而對化工流程的工藝設計、操作優化進行簡單明了的展示。

目前利用過程模擬技術開展化學工程教學的方式主要包括：過程模擬軟件教學[5-7]、化工仿真DCS系統、三維虛擬工廠、半實物仿真工廠[8]等。但單純的虛擬過程不利于學生對精餾實驗過程的感性認知，而半實物工廠則占地面積較大，成本較高。綜合下來，使用微型化、模塊化、可操作的硬件設備與過程模擬相結合來輔助實驗教學則具有很好的優勢。目前，在校企合作開展精餾過程模塊化實驗裝置的研發，探索全新的化工實驗教學模式方面，已經取得了良好的成效。

3 總體方案

精餾過程模塊化智能實驗裝置系統架構如圖1所示，可分為3個部分：精餾設備的模塊模型、內嵌于智能底座的控制盒及用于交互的電腦。

圖1 模塊化智能實驗裝置系統框架

各種設備按照功能制成獨立模塊，每個模塊具有相同的幾何接口或輸入、輸出標準，各個模塊可以按照一定的工藝流程進行搭建組合。相對于化工精餾單元，將塔、閥門、泵、儲罐等設備作為獨立模塊，可以組合出不同的精餾工藝流程，模塊化設備可使整個實驗裝置在維護、調試、升級方面更加簡便。

裝置模型內部嵌入芯片，用以設置設備功能以及智能通信。配合的計算機平臺搭載高精度的動態仿真平臺，由平臺計算出的動態數據，可與智能硬件實時交互，實現對整個精餾過程動態運行的可操作性。

3.1 硬件部分

硬件包含精餾的主體設備，如泵、閥門、換熱器（再沸器、冷凝器）、精餾塔、三通、閃蒸罐等。通過在模型內部加裝芯片使設備模型具備相應的設備位號和功能。在設備模型的物流出口加裝RJ11接頭，通過內穿4芯通信線的管道可實現各設備間的流程連接，以管道的顏色區分不同物流。設備模型可以根據實際功能加裝其他電子元件，如泵、加熱器可加裝開關按鈕，閥門可加裝液晶顯示屏顯示開度和流量，塔、儲罐也可加裝液晶顯示屏顯示溫度、壓力和液位等。圖2是部分實驗裝置智能模塊組件。

圖2 部分智能模塊組件

設備模塊底部制作成含有可嵌入凸粒的凹槽，用以固定在布滿凸粒的底座上，底座含有智能通信主板，通過USB數據線實現仿真模擬軟件對實驗裝置主體的智能驅動與實時聯動。將智能模塊按照實際工藝組裝搭建，就可構成靈活多變的復雜精餾過程。實驗裝置搭建要符合化工設備布置原則，要合理利用位差，要對管道排列進行科學設計。學生通過模塊裝置搭建過程可以領略精餾工藝概貌，了解化工流程特點，建立對化工設備布置的感性認識。圖3為某雙塔精餾工藝裝置搭建效果圖。

圖3 某雙塔精餾工藝裝置搭建效果圖

3.2 軟件部分

精餾流程的運行主要通過仿真模擬軟件進行驅動。仿真模擬分為穩態模擬與動態模擬，由于實際化工生產過程不可避免會受到外界擾動，工藝參數會隨時間波動，穩態控制策略無法解決此類問題，因此動態模擬更符合實際的化學工業流程，有利于對化工過程進行動態分析、安全分析、先進控制系統設計、操作培訓及故障診斷等研究。

目前化工動態軟件主要有美國AspenTech公司的HYSYS與ASPEN DYNAMICS平臺，近年來英國的gPROMS軟件也嶄露頭角。這些動態模擬軟件極大地提高了工程技術人員的工作效率和企業的經濟效益。目前國內的通用大型動態模擬軟件受市場制約開發熱情不高，相關化工動態軟件只是針對特定的工藝流程，側重于操作培訓系統（OTS）的開發[9]。為了能夠更加精確地、通用地對流程進行建模，采用了校企聯合開發的通用型動態模擬仿真軟件。該軟件具有豐富的化工單元操作模塊，幾乎能夠對目前所有化工流程進行動態模擬；由于是根據化工單元過程的化學、物理分析機理建立模型，擁有強大的數據庫，保證了建模的精確性；采用了聯立方程法和序貫法結合的求解方式，在保證求解精度的同時兼顧了求解效率[10]。

在精餾實驗過程中，模型仿真設計器作為底層軟件運行，并在平板電腦的用戶交互界面顯示運行結果。此外，系統可提供更多的軟件交互畫面，如動畫、視頻、關鍵單元顯示面板、學習文檔、考試系統等。除了動態模擬軟件，平臺還搭載了實驗評價與管理系統，如學生對閥門的操作，界面上的設備隨著正確的實驗步驟模擬物料通過，逐步點亮，而當實驗過程出錯設備不能正常點亮時，系統會報錯并在考核系統中扣分。

4 效果分析

（1）靈活性。實驗裝置采用了模塊化、標準化的智能硬件，可以任意拼裝拆卸，組合成多種精餾過程。由于采用了化工仿真軟件進行精餾模擬，只要通過后續的軟件升級，即可完成所需的工藝流程。除了軟件方面的工藝擴展升級外，還可通過加裝硬件設備的方式進行多種實驗及工藝的拓展，模擬出整個化工生產流程，而并不僅僅局限于精餾實驗。

（2）安全性。安全是高校實驗需要考慮的重要內容，是正常科研教學的基礎保障[11]。模塊化流程采用模擬驅動，管道內不走物料，無有毒有害物質，且實際操作均在常溫常壓下進行。通過對實際高溫高壓流程的苛刻實驗條件進行模擬，減少了因安全問題而不易展開的流程教學限制，豐富了學生對相關復雜流程的了解，消除了化學污染物排放，符合綠色化工實驗教學要求。

（3）經濟性。裝置體積較小，可以在桌面上進行操作。學生可組隊對整個工藝流程進行硬件模塊搭建，深化學生對工廠布局的了解，并且可以培養學生團隊協作能力。智能硬件的可操作性使學生能夠動手完成開停車操作，精餾過程模塊化實驗裝置只需很小的設備和空間，有利于培養學生獨立思考和解決問題的能力，有利于增長學生的基本技能，也體現了該裝置良好的經濟性。

5 結語

化工是一門實踐與理論緊密結合的學科，這就決定了在設計化工實驗裝置的過程中不僅要注重理論性，更要注重實踐性[12]。精餾過程模塊化實驗裝置是結合動態模擬仿真軟件的新型實驗教學裝置，具有占地小、投資少、內容廣、易拓展和智能化等諸多優點，有利于培養和增強化工類專業學生的技能素養。通過模塊化智能組建的理念，可以延伸到化工流程的其他單元操作，最終為企業實踐教學提供良好的教學預演模式。如何豐富配套教材，更充分地利用模塊化智能實驗裝置，促使學生拓展基本化工原理知識，是后續進一步研究和開發的重點。

[1] 吳頔，龐秀言，林瑞年.精餾實驗平臺設計與實施[J].實驗技術與管理，2018, 35(2): 98–102.

[2] 陳旭東，王宇，楊祖榮，等.教學研究型化工實驗裝置的開發與應用探討[J].化工高等教育，2006, 23(4): 63–64.

[3] 崔琳，丁立.中試實驗裝置在化工實驗教學中的綜合應用[J].實驗技術與管理，2015, 32(2): 82–85, 88.

[4] 蔣麗芬，許寧.基于組態和仿真技術的化工實驗系統[J].實驗室研究與探索，2012, 31(3): 90–95.

[5] 唐新宜.基于Aspen Plus在化工工藝學教學中的應用[J].廣州化工，2016, 44(13): 174–176.

[6] 吳磊. ChemCAD在化工原理精餾教學中的應用[J].時代教育，2015(9): 174, 178.

[7] 王廣全. HYSYS軟件在化工原理課程設計中的應用[J].計算機與應用化學，2017, 34(5): 388–390.

[8] 高興泉，郭爽.化工反應過程半實物仿真系統[J].化工中間體，2015, 11(2): 27–28.

[9] 李文波，毛鵬生，王長英，等.化工流程模擬技術的現狀與發展[J].化工時刊，1998(6): 3–6.

[10] 曾明，龔時雨，李希平.序貫模塊法用于化工仿真培訓[J].化工進展，1997(4): 39–42.

[11] 梁建國，于燕梅.高校化工實驗室安全環境建設的探索與思考[J].實驗技術與管理，2014, 31(10): 229–231.

[12] 姜少華，周文慧，葉偉軍.多功能化工原理吸收實驗裝置的設計[J].實驗室研究與探索，2011, 30(8): 260–262.

Application of modular intelligent experimental device in experimental teaching of chemical engineering distillation

YE Xiangqun, QIU Junluan, ZHANG Lin

(Chemical Virtual Simulation Experiment Center, College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Distillation experiment is an important chemical unit operation experiment. Students can’t have a deep understanding of distillation only through a single experimental process. Using the modular intelligent experimental device to simulate the chemical process, students can use the platform to carry out various distillation experiments conveniently. Chemical process simulation enriches the teaching content of distillation experiment, and brings about the possibility of innovation and change of the following chemical experiment teaching methods.

experimental teaching; distillation experiment; process simulation

TQ016；G642.423

A

1002-4956(2019)07-0179-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.043

2019-01-11

浙江大學創新創業實驗室聯合共建項目（188482，194411903）

葉向群（1965—），女，浙江杭州，碩士，高級工程師，主要從事化工實驗教學與教改.E-mail: ye-xq@zju.edu.cn