乙苯脱氢制苯乙烯全流程半实物仿真系统设计.pdf

实验与实践教学822023年4月第40 卷第2 期乙苯脱氢制苯乙烯全流程半实物仿真系统设计*方新亮，段学志，徐菊美，雷明，李秀军（华东理工大学化工学院，上海2 0 0 2 3 7）摘要乙苯负压脱氢制苯乙烯全流程实验装置规模为模型试验级，受限于安全、环境、资金等，不适合用于开展教学实验。利用流程仿真技术、自动化通信技术及网络技术等手段设计开发的乙苯脱氢制苯乙烯全流程半实物仿真系统，可用于开展仿真软件训练和实体设备操作。该系统有利于学生掌握实验原理技术、流程组织方法和过程控制方法，有利于强化学生自学能力、工程实践能力和解决复杂工程问题能力的培养。关键词半实物仿真；乙苯脱氢制苯乙烯；实验教学Design of a Semi Physical Simulation System forthe Whole Process of Ethylbenzene Dehydrogenation to StyreneFang Xinliang,Duan Xuezhi,Xu Jumei,Lei Ming,Li Xiujun(School of Chemical Engineering,East China University of Science andTechnology,Shanghai 200237,China)Abstract:The scale of the whole process experimental device for ethylbenzene negative pressuredehydrogenation to styrene was model test level,which was not suitable for carrying out teachingexperiments due to the consideration of safety,environment and capital.By means of process simulationtechnology,automatic communication technology and network technology,a semi physical simulationsystem for the whole process of ethylbenzene dehydrogenation to styrene was designed and developed,which could carry out simulation software training and physical equipment operation.The system washelpful for students to master the experimental principle technology,process organization method andprocess control method,and strengthen students self-study ability,engineering practice ability andabilityto solvecomplex engineering problems.Key words:Semi physical simulation;Dehydrogenation of ethylbenzene to styrene;Experimental teaching作者简介方新亮（1 98 9-），男，实验师。通信作者方新亮，E-。*基金项目：华东理工大学2 0 2 1 年继续教育发展研究项目（校继2 0 2 1 2 号）。83方新亮，等苯脱氢制苯乙烯全流程半实物仿真系统设计乙苯脱氢制苯乙烯全流程装置是依托华东理工大学具有自主知识产权的重大科研成果一乙苯脱氢制苯乙烯工业化技术，自行设计制造的年产5 吨苯乙烯的二段负压乙苯脱氢全流程实验装置1。本实验装置可进行乙苯脱氢制苯乙烯催化剂的考评、工艺条件的优选和苯乙烯产品的连续定量生产2 3 。整个实验装置主要由反应工段和精馏工段组成。该反应为强吸热、气体分子数增多的可逆反应，为提高反应平衡转化率，反应工段反应器温度要长时间保持在6 3 0 以上。开车、连续运行、停车等操作对操作人员要求较高，实验中只能由教师对学生进行分组演示。由于部分同学不能清楚地观察到实验演示过程，相关实验的教学目标和要求难以达到。实验周期也较长，反应物和产物有一定毒性，因此该实验装置难以用于大规模教学。此外，实验教学考核内容主要包括平时表现和实验报告，这导致学生只注重实验报告的撰写，而忽略了实验过程的体验，无法有效提高实验操作能力和创新能力4-5 随着互联网、大数据、人工智能、虚拟现实等信息技术的蓬勃发展，虚拟仿真实验应运而生6-9。我们基于乙苯脱氢制苯乙烯流程开发了负压脱氢制苯乙烯半实物半虚拟仿真实验，如图1 所示。与传统实验相比，虚拟仿真实验可以避免现场操作中的高温、中毒等安全隐患，让师生不受空间和时间的限制，随时随地在具有高度自主性和交互性的虚拟环境中完成实验教学任务，因此具有很大的开放性和较强的扩展性。另外，虚拟仿真实验的成本较低，无需消耗药品和器材，有利于保护环境，能够体现绿色教学理念1 0-1 。在虚拟实验室中，学生可以灵活地操控静设备、动设备、阀门、仪表，并进行仿真DSC操作，完成冷态开车、稳态调整、热态停车、事故处理等过程，从而深人了解苯乙烯制备工艺流程、过程控制方法；通过反复实验，还有望解决乙苯负压脱氢制苯乙烯实验风险大、周期长的问题，实现安全、高效的实验教学。虚拟仿真实验通过把工厂搬进实验室，实现教学与生产的无缝衔接，提高学生的工程实践能力1 2 1 3 O实训装置操作现场实训装置主控室实空制系线DC虚仿真软件系统现场显示仪表现场变送器数字显示图1乙苯负压脱氢制苯乙烯半实物半虚拟仿真实验一、虚拟仿真实验教学平台建设(一)建设目标乙苯负压脱氢制苯乙烯全流程虚拟仿真实验训练旨在提升学生对化工生产过程的理解能力，使学生掌握基本的化工生产操作方法，能够综合运用化工安全、仪表自动化、化工机械等专业知识分析实际生产中遇到的问题，并提出合理的解决方案。该实验的教学目标是：使学生掌握乙苯负压脱氢制苯乙烯的生产原理、工艺流程、工艺指标、原辅料和产品的成分、性质；了解国内外乙苯脱氢制苯乙烯的生产方法、现状以及乙苯负压脱氢的技术优势1 4，了解负压反应器、精馏塔的内部结构，掌握反应器、精馏塔设备的工作原理1 5 ；掌握乙苯负压脱氢制苯乙烯仿真生产中的开车、停车、稳态调整、典型事故处置等操作过程，并能将理论84方新亮，等.苯脱氢制苯乙烯全流程半实物仿真系统设计联系实际，分析主要操作过程中涉及的专业理论知识；熟悉泵、阀门、换热器、储罐等机械的类型和用途，掌握典型化工单元过程的主要设备构成，并能进行设备搭建与组合；掌握化工生产过程中流量、压力、温度等参数的控制方案，理解控制器PID调节原则，了解集散控制系统在现代化工生产中的应用1 6-1 7 ；增强化工安全操作、安全生产意识，养成良好的安全操作习惯，提高事故的应急处置能力和安全自救能力1 8 ；了解化工生产过程中的人员配合和生产管理模式，感受现场操作（内操）和主控室操作（外操）的协同，提升学生的责任感和团队协作能力。(二)平台设计乙苯负压脱氢制苯乙烯半实物半虚拟仿真实验教学项目工艺流程如图2 所示。该工艺主要包含反应单元和精馏单元两个工段，涉及冷态开车、稳态调整、热态停车、事故处理四个工艺实验环节。脱复制苯之爆实验装一单元图2乙苯负压脱氢制苯乙烯实验装置（a）反应单元流程图；（b）精馏单元流程图在反应单元工段，计量泵分别控制两种反应原料（水和乙苯）的流量。约6 0%的水经汽化器、过热器加热至过热水蒸气（6 3 0 以上），约40%的水与乙苯经汽化器、过热器加热至5 6 0，经预混合器混和均匀后进人第一段反应器。混合气体达到反应温度后，进人催化剂床层，进行第一段脱氢反应；随后，反应物料进入第二段反应器进行第二段脱氢反应；最后，产物经冷凝后导人产物收集装置。在精馏单元工段，乙苯经两段脱氢反应后，约60%的乙苯转化为苯乙烯及甲苯、苯，仍有约40%的乙苯未参与反应，与产物一起排出反应器，为了将未反应的乙苯循环使用，需将反应液中的产物苯乙烯与原料乙苯通过精馏塔进行分离。为防止塔釜温度过高，精馏塔采用负压操作，其操作压力由真空系统和外充氮气控制。塔顶蒸汽经冷凝器冷凝后，部分冷凝液由计量泵计量后回流，部分进人冷凝液储槽中，釜液经换热器冷却后进人釜液储槽。二、虚拟仿真实验教学体系乙苯负压脱氢制苯乙烯半实物半虚拟仿真实验教学依托华东理工大学虚拟仿真实验教学共享平台进行。线上虚拟仿真实验教学主要包括视频学习、习题测试、线上虚拟仿真实验操作和实验报告四个模块；线下实物仿真实验教学采用“准车间班组”式教学方法，让学生扮演班组长、操作工、安全员、技术员等角色，以使其深人了解乙苯脱氢生产流程、工艺、过程控制方法及技术指标，掌握大型装置开车、停车、稳态运转的步骤和操作方法，了解工厂生产制度及安全生产措施。实验教学体系如图3 所示。华东理工大学虚拟仿真实验教学共享平台乙苯负压脱氢制苯乙烯半实物半虚拟仿真实验视频习题线上虚拟仿实验学习测试真实验操作报告实验实验实验系统操作反应精馅背景原理自的齐绍演示工段工段稳态热态事故冷态稳态热态事故处理开车调整停车车处理线下实物仿真（线上仿真实验考核优秀者）合格获得创新学分图3乙苯负压脱氢制苯乙烯半实物半虚拟仿真实验教学体系（一）线上虚拟仿真实验教学过程及考核在视频学习模块，学生可以了解实验背景，学85方新亮，等.乙苯脱氢制苯乙烯全流程半实物仿真系统设计习实验原理，明确实验目的。此外，视频中对该仿真系统进行了较为详细的介绍，并演示了各种阀门、仪表以及流量、压力、温度等参数的控制调节方法。在习题测试模块，学生需要在学习教学视频、实验讲义、仿真实验操作手册的基础上，完成习题测试，测试通过后方可进行虚拟仿真实验操作。在线上虚拟仿真实验操作模块，学生需要分别完成反应单元和精馏单元的冷态开车、稳态调整、热态停车、事故处理，如图4 所示。反应单元冷态开车是指“系统预热一系统进水升温一系统进料”的过程；反应单元稳态调整是指通过调节保温层加热器来保证床层温度维持在工艺要求值，通过调节真空泵人口的调节阀来确保系统真空度，以及调节水汽比、床层温度或乙苯空速，进行工艺条件实验；反应单元热态停车是指“系统降温一停止进料一氮气吹扫一关闭系统阀门”的过程；反应单元事故处理包含停电事故处理、停冷却水事故处理、可燃气报警事故处理。精馏单元冷态开车是指“建立液位一建立压力系统一加热精馏塔建立回流一塔顶塔底采出”的过程；精馏单元稳态调整是指控制塔顶温度在8 8 左右，确保塔底采出产品苯乙烯含量大于9 7%；精馏单元热态停车是指“切断进料及关闭塔釜加热一关闭塔顶塔底采出一系统恢复常压”的过程；精馏单元事故处理包含停电事故处理、停冷却水事故处理、氮气控制阀卡住事故处理、塔釜温度突然升高事故处理、塔顶温度快速升高事故处理。冷态开热态停车操作车操作事故处稳态调理操作整操作图4线上虚拟仿真实验部分工艺操作单元本实验项目采用操作指导评分系统进行评分，如图5 所示。系统会记录学生每步实验操作，并给出操作评分和实时反馈。学生可以随时随地进行反复操练，并根据操作报告单对操作情况进行分析、总结，掌握乙苯脱氢制苯乙烯在冷态开车、稳态调整、热态停车、事故处理等方面的操作，并对现有工艺操作提出合理的改进建议及方案。系统会根据各单元操作成绩生成机考成绩。(a)换代酒摄平分系统口X文件阿览脚印日净本开车D步媒猫速得分绝信打开水计童泵P102的入口晚门11810.0S1当系纯水乙苯过热器、汽化器、反应器床照温度达强虹6 0 七后动水计堂象P10210.0系缺进料S2打开计量系P102出口阀门V10？10.0调节至正常S3打开计望泵P102去乙举汽化器10 1的10 910.0S亚新调节系10 2 中程至15%10.0S6打开水计里泵P10的入口11710.0S7磨动水计黑泵P1310.0S8打开计量系10 3 去乙苯汽化器E101的概门11310.0S9调节泵110 3 冲程至15 H10.0510关闭瓶气进系纯阀门M14110.0S11关闭氟气进系统阀门MD1210.012加大乙苯过热器加热频率控物器TIC103斜出道，纯续爆高反应器床屋晶度00513加大水过热器加热频车控制器江C10输出值，维练提高反应器床屋晨度00S14随器乙录/1水汽化器，过热器和反应床层湿房的上升，谨步增加P102中程至5 0 m0.0S15随春乙苯/水汽化器，过热器和反应床黑温度的上升，趣梦增加P103车程至5 0%探作报告单10.00A100002000图5操作指导评分系统（a）操作指导评分系统界面；（b）操作报告单在实验报告模块，学生需要在线编辑并提交实验报告，记录各操作单元实验运行结果和实验现象，对实验过程中出现的正常或非正常现象进行分析讨论，总结操作过程中调节和控制主要参数的方法及注意事项，并提出合理的改进建议及方案。根据实验报告各项评分标准，教师给出报告成绩。学生最终考核成绩由机考成绩（6 0%）和报告成绩（4 0%）两部分构成，成绩排名前2 0%且达到85分的学生被认定为“优秀”。教师的主观评价与软件系统的客观评价相结合，使考核更加客观公正。（二）线下实物仿真实验教学过程及考核线上虚拟仿真实验考核优秀的学生可以参加线下实物仿真实验。如图6 所示，教师让学生自86方新亮，等苯脱氢制苯艺烯全流程半实物仿真系统设计由组队（4 6 人/组），并为每组学生安排3 次线下实物仿真操作实验课（3 小时/次），与学生进行面对面交流。每组学生可以分别体验外操和内操，相互配合完成冷态开车、稳态调整、热态停车、事故处理等操作。最后，教师随机抽取内容对各组进行考核。通过考核的学生可获得创新学分。三、应用与评价乙苯负压脱氢制苯乙烯半实物半虚拟仿真实验自2 0 19 年起正式用于教学，共有6 位专业教师和3 位企业研发人员提供在线教学服务和技术支持。该实验项目的教学取得了良好的成效，受到了师生的一致好评。我们面向2 0 16 级和2 0 17 级化学工程与工艺专业14 个班级的4 7 6 人开展了线上实验教学，并将乙苯负压脱氢制苯乙烯半实物半虚拟仿真实验正式纳入教学大纲中。截至图6线下实物仿真实验教学2021年10 月，该实验总浏览人数为5 6 3 2 人次，完成实验14 8 7 人次，及格率达到8 5%，优秀率达到2 8%，如图7 所示。500465400354浏览量：5 6 3 2使用量：14 8 7300203200238及格率：8 5%80.84优秀率：2 8%平均分100676477425324099101920-2930-3940-4950-596069707980-8990100实验成绩（分）图7乙苯负压脱氢制苯乙烯半实物半虚拟仿真实验统计数据四、结束语乙苯负压脱氢制苯乙烯半实物半虚拟仿真实验项目充分利用“互联网十”等先进技术，发挥虚实结合的优势，支持线上、线下两种模式的仿真实验教学。该实验一方面克服了传统化工综合实训装置高风险、高污染的弊端，另一方面拓展了育人功能，增强了师生互动，充分调动了学生的学习积极性、主动性。通过完成该实验，学生可深人了解苯乙烯制备工艺流程、过程控制方法及技术指标，掌握大型装置开停车、稳定操作及事故处置方法，形成工程思维，建立优化操作、节能降耗、安全环保和技术经济的意识。该实验的教学符合新工科背景下的育人理念。（责任编辑：李丽妍）参考文献：1徐志刚，钱志毅，俞丰.乙苯脱氢制苯乙烯反应器的技术进展J.化学世界，2 0 0 4（1）：4 9-5 2，4 8.2乐清华，徐菊美，张秋香.学研互动推进大化工实验教学的改革J.化工高等教育，2 0 0 9，2 6（1）：2 2-25,37.3 乐清华.化学工程与工艺专业实验MI.北京：化学工业出版社，2 0 0 8：17 8-18 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