談化工專業(yè)學(xué)生校內(nèi)畢業(yè)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)教學(xué)平臺建設(shè)
——以乙酸乙酯生產(chǎn)線為例

＊劉軍海 袁青 姜松 王懷生 程衛(wèi)國 王超

（1.聊城大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 山東 252000 2.聊城大學(xué)實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)信息中心 山東 252000）

引言

化學(xué)工程與工藝專業(yè)是一門工程學(xué)科，化工高等教育肩負(fù)著為化學(xué)工業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)工程技術(shù)人才的重任，設(shè)計(jì)教育是工程教育的核心和精髓[1]。設(shè)計(jì)能力是化學(xué)工程師綜合能力的重要體現(xiàn)[2]。在《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》《化工類專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》以及化工卓越工程師培養(yǎng)要求以及高水平應(yīng)用型立項(xiàng)建設(shè)專業(yè)的要求中，均對化工本科畢業(yè)生的設(shè)計(jì)能力提出了很高的要求。化工設(shè)計(jì)過程需要用到化工專業(yè)四年本科階段所學(xué)的幾乎所有課程的知識，是一個(gè)壓軸的主干課程。為了提高化工本科生的工程實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新能力，盡早適應(yīng)工作崗位，成為一線化工工程師，必須加強(qiáng)學(xué)生到工廠實(shí)習(xí)的教學(xué)過程，但是由于化工企業(yè)是一種高危性的行業(yè)，一旦出現(xiàn)事故就會造成傷亡或財(cái)產(chǎn)損失。因此，一般化工企業(yè)很難接收學(xué)生實(shí)習(xí)。為此，為了構(gòu)建適合工程教育實(shí)踐化工專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)模式，增加學(xué)生的工程實(shí)踐能力。為此，我們體現(xiàn)工程安全環(huán)保、現(xiàn)代自動化、貼近生產(chǎn)實(shí)際的理念，聯(lián)合浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司建立了真實(shí)小批量自動化控制的乙酸乙酯生產(chǎn)線作為學(xué)生校內(nèi)實(shí)習(xí)平臺。現(xiàn)介紹如下。

1.乙酸乙酯生產(chǎn)工藝及設(shè)備

(1)工業(yè)背景[4]

乙酸乙酯作為醋酸的一種重要的下游產(chǎn)品，它具有非常好的溶解性、快干性，日用工業(yè)中它主要用作生產(chǎn)涂料、粘合劑、乙基纖維素、人造革以及人造纖維等的溶劑，對于醫(yī)藥行業(yè)可作為提取劑，也可以作為有機(jī)酸的產(chǎn)品生產(chǎn)等原料，總而言之乙酸乙酯用途十分廣泛，發(fā)展前景廣泛。

就現(xiàn)在而言乙酸乙酯生產(chǎn)主要有三種方法[4]：①乙醇乙酸直接酯化法；②乙醛縮合法；③乙醇一步法。目前我國常用乙酸乙醇直接酯化法，本裝置采用乙酸乙醇直接酯化法來設(shè)計(jì)工藝及裝置，其反應(yīng)原理為：

乙酸乙酯生產(chǎn)工藝實(shí)訓(xùn)裝置是化工企業(yè)酯類產(chǎn)品制備的重要裝置之一，這個(gè)裝置主要是以乙酸乙醇直接酯化法工藝為基礎(chǔ)，以乙醇、乙酸為原料，強(qiáng)酸做催化劑，由乙酸乙酯生成反應(yīng)、精餾提純精制、物料回收三個(gè)工段來完成生產(chǎn)的實(shí)際工藝過程與操作。

(2)生產(chǎn)工藝流程與裝置簡介

我校新建化工專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺—乙酸乙酯生產(chǎn)線裝置工藝流程見圖1，實(shí)際生產(chǎn)裝置見圖2，生產(chǎn)中控室見圖3。

圖1 乙酸乙酯生產(chǎn)工藝流程簡圖

圖2 乙酸乙酯生產(chǎn)裝置

圖3 乙酸乙酯生產(chǎn)工藝中控室

本工藝裝置由反應(yīng)工段、精餾分離工段和精餾提純回收萃取劑三個(gè)工段組成。反應(yīng)工段以反應(yīng)段、精餾系統(tǒng)為主體，配套有原料罐、反應(yīng)釜、精餾塔、輕相罐、重相罐等設(shè)備；產(chǎn)品分離工段以粗酯塔（填料塔）提純粗的乙酸乙酯，萃取精餾塔（篩板塔）分離乙酸乙酯和萃取劑分離提純（填料塔）為主要設(shè)備，并且附有冷凝器、產(chǎn)品罐、殘液灌等輔助設(shè)備。精餾塔和再沸器采用分體式，采用導(dǎo)熱油加熱，使學(xué)生了解反應(yīng)精餾的工藝、萃取精餾的原理，掌握各單元操作的原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)，熟悉工廠實(shí)際生產(chǎn)的工藝設(shè)備和操作，進(jìn)而使學(xué)生具備一定的實(shí)踐動手經(jīng)驗(yàn)、強(qiáng)化理論與實(shí)踐的結(jié)合、提高其綜合能力。整個(gè)系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油導(dǎo)熱系統(tǒng)加熱，再現(xiàn)化工廠生產(chǎn)實(shí)際，學(xué)生熟悉化工廠能源供應(yīng)形式和導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)與操作。

圖4 DCS控制單元操作

本工藝裝置的主要特點(diǎn)是[2-4]：①在DCS基礎(chǔ)上配置反應(yīng)釜部分緊急停車系統(tǒng)，同時(shí)配有化工儀表保護(hù)系統(tǒng)，對于涉及劇毒、易燃易爆的化工裝置培訓(xùn)具有較強(qiáng)針對性，可以培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代化自動化生產(chǎn)的理念，以及在生產(chǎn)實(shí)際出現(xiàn)重大事故時(shí)如何應(yīng)對處理的方法和措施。樹立在正常工藝生產(chǎn)過程中，由DCS進(jìn)行工藝控制，只有當(dāng)過程變量超出預(yù)期值，才啟動緊急停車系統(tǒng)的思維方式。②實(shí)物生產(chǎn)，該裝置能小批量生產(chǎn)，可以24h連續(xù)，可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際生產(chǎn)的理念，加強(qiáng)實(shí)際生產(chǎn)的認(rèn)識。實(shí)訓(xùn)裝置和儀表均能使用一定濃度的乙酸乙酯溶液中正常運(yùn)行和使用。③可實(shí)現(xiàn)自動化和手動操作生產(chǎn)。

現(xiàn)分工段介紹如下[4]：

①酯化反應(yīng)工段。乙酸和乙醇由原料罐經(jīng)乙酸、乙醇進(jìn)料泵（齒輪泵）打入反應(yīng)釜中，催化劑采用固體磷鉬酸，催化劑由反應(yīng)釜頂?shù)募恿隙芳尤敕磻?yīng)釜中。打開反應(yīng)釜的攪拌電機(jī)，根據(jù)工藝需求調(diào)節(jié)至適當(dāng)轉(zhuǎn)速，導(dǎo)熱油啟動循環(huán)，然后打開導(dǎo)熱油加熱開關(guān)，使反應(yīng)釜夾套導(dǎo)熱油溫度控制在130～140℃，反應(yīng)釜內(nèi)溫度控制在80℃～90℃左右，進(jìn)行酯化反應(yīng)。形成的蒸汽經(jīng)反應(yīng)釜頂蒸餾柱冷凝，用蒸餾回流泵打回蒸餾柱，回流反應(yīng)0.5～1h，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。再經(jīng)反應(yīng)釜冷凝器冷凝，冷凝液流到反應(yīng)釜冷凝罐中，通過回流泵使液體流到中和釜或蒸餾柱。

②中和工段。由反應(yīng)釜冷凝液罐來的物料以及反應(yīng)釜的物料加入中和釜中，同時(shí)由堿液罐將碳酸鈉飽和溶液加入中和釜中，與溶液中的乙酸發(fā)生中和反應(yīng)，再由鹽液罐將硫酸鉀水溶液加入中和釜中，將反應(yīng)釜料液中的水吸收到鹽溶液中靜置半小時(shí)，水、醋酸鈉、碳酸鈉和硫酸鉀水溶液作為重相先從釜底排入重相罐中，注意觀察視鏡界面，出現(xiàn)分液層以后，關(guān)閉重相罐的入口閥，開啟輕相罐的入口閥，然后將上層的乙酸乙酯、乙醇和微量的水再從釜底排入輕相罐中。

③粗酯精餾工段。將輕相罐內(nèi)的粗乙酸乙酯用泵打入粗酯塔，經(jīng)塔釜加熱，氣體上升，從粗酯塔塔頂出來的乙酸乙酯進(jìn)入冷凝器冷凝后，到受液罐，受液罐內(nèi)的輕組分經(jīng)泵輸送到回流頭，一部分回流至粗酯塔，一部分作為成品到產(chǎn)品罐；受液罐內(nèi)的重組分回流到粗酯塔殘液罐，塔釜的料液精餾后進(jìn)入粗酯塔殘液罐。

④萃取精餾工段。將粗酯塔（填料塔）產(chǎn)品罐內(nèi)的粗乙酸乙酯用齒輪泵打入萃取塔與萃取劑混合，進(jìn)行萃取精餾，從萃取塔塔頂出來的乙酸乙酯氣體進(jìn)入冷凝器冷凝后，到冷凝罐，經(jīng)齒輪泵輸送到回流頭，一部分冷凝液回流至萃取塔內(nèi)，一部分冷凝液作為成品到產(chǎn)品罐。塔釜的殘液精餾后，進(jìn)入萃取塔殘液罐。

⑤萃取劑再生工段。將萃取塔殘液罐內(nèi)料液，用泵打入再生塔，塔頂出來的乙醇或水氣體進(jìn)入冷凝器冷凝后，進(jìn)入冷凝液罐，經(jīng)泵輸送到回流頭，一部分冷凝液回流至再生塔，一部分冷凝液到產(chǎn)品罐。產(chǎn)品罐的液體可收集補(bǔ)充原料乙醇或排放；從塔釜出來的殘液乙二醇，用泵將乙二醇送至萃取塔循環(huán)使用或排放。

⑥萃取劑循環(huán)工段。萃取劑乙二醇加入萃取液罐后，由泵將乙二醇打入萃取塔，與原料液混合后起萃取作用。殘液中的乙二醇隨塔釜?dú)堃哼M(jìn)入殘液罐，用泵打入再生塔，經(jīng)精餾分離后，乙二醇作為填料精餾塔的殘液排至殘液罐，用泵將乙二醇送至萃取塔循環(huán)使用。

⑦冷凝循環(huán)水循環(huán)流程。水罐內(nèi)的冷卻水，經(jīng)水循環(huán)泵輸送，分別到導(dǎo)熱油冷卻器管程、反應(yīng)釜冷凝器殼程、粗酯塔冷凝器、萃取塔冷凝器、萃取劑冷卻器、再生塔冷凝器以及蒸發(fā)冷凝器，與物料換熱后，到?jīng)鏊匀唤禍乩鋮s后返回到水罐。

⑧導(dǎo)熱油加熱循環(huán)工藝流程。導(dǎo)熱油儲罐內(nèi)的導(dǎo)熱油，經(jīng)導(dǎo)熱油泵輸送，到導(dǎo)熱油加熱器加熱后進(jìn)入總管給其它系統(tǒng)反應(yīng)和精餾供熱。

⑨尾氣和殘液處理流程。系統(tǒng)的尾氣統(tǒng)一進(jìn)入尾氣總管經(jīng)尾氣洗滌后排放，所有殘液進(jìn)入殘液罐進(jìn)行中和處理至中性后排放。

(3)自動化控制系統(tǒng)

實(shí)訓(xùn)裝置配套真實(shí)的DCS控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對裝置的測量、控制和監(jiān)控功能。工程師站能對控制系統(tǒng)進(jìn)行離線功能配置和組態(tài)下載，也可以對網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，操作站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、可以調(diào)整有關(guān)配置和某些參數(shù)設(shè)定。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)裝置的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)趨勢瀏覽以及報(bào)表分析等特殊功能。DCS控制系統(tǒng)至少采用三層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別為信息管理網(wǎng)、過程控制網(wǎng)、控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)（SBUS）等[4]。中控室應(yīng)包括控制站柜體、操作站及操作桌椅。

2.生產(chǎn)裝置的功能特點(diǎn)和工程知識培訓(xùn)

(1)乙酸乙酯生產(chǎn)平臺實(shí)訓(xùn)功能

該乙酸乙酯生產(chǎn)工藝實(shí)訓(xùn)平臺，是由原料經(jīng)過各個(gè)連續(xù)生產(chǎn)工段生產(chǎn)出一定濃度產(chǎn)品乙酸乙酯，經(jīng)過精餾分離提濃后流入成品罐。成品罐的乙酸乙酯再循環(huán)至原料罐中，多次循環(huán)利用，整個(gè)乙酸乙酯的生產(chǎn)裝置是一個(gè)相對來說較為完整的現(xiàn)代化工藝仿真生產(chǎn)裝置。該工藝仿真生產(chǎn)裝置貼近生產(chǎn)第一線，可以呈現(xiàn)出乙酸乙酯產(chǎn)品反應(yīng)精餾生產(chǎn)的現(xiàn)場真實(shí)的環(huán)境，同時(shí)包含完整的乙酸乙酯生產(chǎn)工藝流程和生產(chǎn)過程，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化中試生產(chǎn)。

①該生產(chǎn)裝置對乙酸乙酯生產(chǎn)單元操作（反應(yīng)、普通精餾、萃取精餾、導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)）進(jìn)行組合，能實(shí)現(xiàn)化工單元過程進(jìn)行操作訓(xùn)練。同時(shí)，該生產(chǎn)裝置流程還可以進(jìn)行分割實(shí)施，可進(jìn)行局部間歇或局部連續(xù)操作，靈活方便，可以同時(shí)滿足不同的教學(xué)需要。

②該生產(chǎn)裝置將乙酸乙酯生產(chǎn)工藝、裝備和現(xiàn)代自動化控制技術(shù)（DCS）結(jié)合起來，采用DCS集散控制和就地儀表加工控組態(tài)上位機(jī)監(jiān)控的兩種控制方法，根據(jù)需要進(jìn)行切換。該生產(chǎn)裝置可進(jìn)行自動和手動雙項(xiàng)控制，能實(shí)現(xiàn)自動和手動控制的切換、學(xué)生可以進(jìn)行手動操作，提高動手能力和實(shí)驗(yàn)分析、故障排除等能力。

③該生產(chǎn)裝置可以進(jìn)行開車準(zhǔn)備、開車、正常乙酸乙酯生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)操作教學(xué)，同時(shí)可進(jìn)行操作、停車、設(shè)備維護(hù)、工藝指標(biāo)控制等操作技能訓(xùn)練，還可以通過調(diào)整生產(chǎn)條件、優(yōu)化流程、模擬設(shè)置故障點(diǎn)等，對學(xué)生進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)。

④該生產(chǎn)裝置可實(shí)現(xiàn)以下崗位技能培訓(xùn)[4]

A.反應(yīng)釜工段技能：包括原料配料加料、反應(yīng)控制、攪拌器、反應(yīng)回流、物料出料等操作。

B.中和釜工段技能：后處理（中和）液配料、加料；攪拌器操作；物料中和操作；物料出料操作等。

C.精餾工段技能培訓(xùn)：可進(jìn)行普通精餾塔、填料塔、篩板塔、萃取精餾、反應(yīng)精餾操作、回流、產(chǎn)品采出操作、常壓精餾、減壓精餾等操作。

D.換熱工段技能培訓(xùn)：列管式、板式、夾套式、蛇管式換熱器操作；（物料）汽-水換熱體系、空氣-水換熱體系、油-水換熱體系、（物料）液-水換熱體系等體系的操作。

E.流體輸送工段技能：離心泵的開停車及流量調(diào)節(jié)、緩沖罐壓力調(diào)節(jié)、真空泵及真空度調(diào)節(jié)等操作。

F.化工儀表技能：流量計(jì)、液位計(jì)、變頻器、差壓變送器、熱電阻、過程控制器、聲光報(bào)警器、調(diào)壓模塊及各類就地彈簧指針表等的使用；單回路、串級控制等控制方案的實(shí)施等。

G.儀表安全技能：故障緊急停車（ESD），SIS系統(tǒng)操作，電磁閥、繼電器控制，事故應(yīng)急處理演練，工藝控制與故障控制的區(qū)分。

H.導(dǎo)熱油加熱技能：導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉，導(dǎo)熱油流量和溫度調(diào)節(jié)控制，高溫油泵的手動和電磁調(diào)節(jié)，加熱系統(tǒng)閉路管路的循環(huán)使用等。

3.實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)平臺教學(xué)的目的和知識點(diǎn)

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是工科高校實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分之一，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和職業(yè)道德的有效途徑，是學(xué)生做好化工畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生工程觀點(diǎn)、工程思維的重要教學(xué)手段，也是學(xué)生從學(xué)校走向社會的一個(gè)不可或缺的過渡階段。我校在面對建立長期固定的大型實(shí)習(xí)基地困難的情況下，建設(shè)該實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)平臺的目的是解決因化工廠極力強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)安全很難接受學(xué)生實(shí)習(xí)的問題，給學(xué)生一個(gè)實(shí)踐學(xué)習(xí)的平臺，保證學(xué)生在出校時(shí)具有一定的實(shí)踐能力。教師在實(shí)習(xí)教學(xué)中可以讓學(xué)生綜合運(yùn)用四年的化工理論知識完成以下教學(xué)任務(wù)。通過乙酸乙酯實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)教學(xué)平臺可以完成以下教學(xué)內(nèi)容和目的。

學(xué)生通過實(shí)習(xí)和查資料了解乙酸乙酯生產(chǎn)的主要產(chǎn)品品種和生產(chǎn)規(guī)模、特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益等；了解國內(nèi)外乙酸乙酯生產(chǎn)工藝和技術(shù)的發(fā)展趨勢；了解車間（工段）的主要原材料和輔料、技術(shù)要求和質(zhì)量規(guī)格，以及在生產(chǎn)中的作用；熟練掌握車間（工段）帶控制點(diǎn)的生產(chǎn)工藝流程、各單元操作過程及工作原理；掌握車間（工段）主要生產(chǎn)設(shè)備、輸送泵、儀表、閥門的結(jié)構(gòu)、型號、尺寸、性能、工作原理及使用條件；了解生產(chǎn)過程的原料的計(jì)量控制、產(chǎn)品質(zhì)量的檢測分析，原料和產(chǎn)品分析儀器，大致了解主要項(xiàng)目的分析方法；了解車間（工段）和主要管路的平（立）面布置；了解車間（工段）產(chǎn)品的“三廢”處理工藝及綜合利用；了解車間（工段）產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及能耗指標(biāo)；熟悉車間（工段）的生產(chǎn)組織、技術(shù)管理和安全生產(chǎn)情況；了解生產(chǎn)車間的自動化控制技術(shù)、原理、參數(shù)、控制系統(tǒng)和裝備；了解生產(chǎn)車間的DCS界面能控制的工藝參數(shù)、控制裝備、控制方式和效果；了解導(dǎo)熱油爐加熱原料和輔料的工藝流程、開爐和閉爐的操作方式、準(zhǔn)備工作和運(yùn)轉(zhuǎn)方式，以及操作注意事項(xiàng)；了解不同換熱器的換熱方式和用途以及適合的場地、作用；了解乙酸乙酯生產(chǎn)的動力配電和安全生產(chǎn)要求；了解國家對化工企業(yè)生產(chǎn)的安全生產(chǎn)禁令。

4.結(jié)束語

目前，我國化工高等人才的素質(zhì)培養(yǎng)中普遍存在的突出問題是：工程實(shí)踐訓(xùn)練不足，實(shí)踐能力差，現(xiàn)行培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工程需求相差很大。因此，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的改革力度，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力是化工高等教育過程中亟待解決的問題[5]。無疑要想提高工程實(shí)踐能力和專業(yè)技能必須建立實(shí)習(xí)實(shí)踐平臺。我校實(shí)踐教學(xué)平臺的建立彌補(bǔ)了當(dāng)前去化工廠現(xiàn)場實(shí)習(xí)困難的不足，有利于學(xué)生提高工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程設(shè)計(jì)能力，為培養(yǎng)高技能、高素質(zhì)高端化工技術(shù)人才提供了良好的基礎(chǔ)，為學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了良好的參考。但是，該實(shí)習(xí)教學(xué)平臺單一，隨著專業(yè)建設(shè)的發(fā)展，我校會有更好更高的實(shí)踐平臺，以滿足現(xiàn)代化工教學(xué)的需要。