谈化工专业学生校内毕业生产实训实习教学平台建设——以乙酸乙酯生产线为例

＊刘军海 袁青 姜松 王怀生 程卫国 王超

（1.聊城大学化学化工学院 山东 252000 2.聊城大学实验与网络信息中心 山东 252000）

引言

化学工程与工艺专业是一门工程学科，化工高等教育肩负着为化学工业培养高素质工程技术人才的重任，设计教育是工程教育的核心和精髓[1]。设计能力是化学工程师综合能力的重要体现[2]。在《工程教育专业认证标准》《化工类专业本科教学质量国家标准》以及化工卓越工程师培养要求以及高水平应用型立项建设专业的要求中，均对化工本科毕业生的设计能力提出了很高的要求。化工设计过程需要用到化工专业四年本科阶段所学的几乎所有课程的知识，是一个压轴的主干课程。为了提高化工本科生的工程实践能力和工程创新能力，尽早适应工作岗位，成为一线化工工程师，必须加强学生到工厂实习的教学过程，但是由于化工企业是一种高危性的行业，一旦出现事故就会造成伤亡或财产损失。因此，一般化工企业很难接收学生实习。为此，为了构建适合工程教育实践化工专业学生实习模式，增加学生的工程实践能力。为此，我们体现工程安全环保、现代自动化、贴近生产实际的理念，联合浙江中控科教仪器设备有限公司建立了真实小批量自动化控制的乙酸乙酯生产线作为学生校内实习平台。现介绍如下。

1.乙酸乙酯生产工艺及设备

(1)工业背景[4]

乙酸乙酯作为醋酸的一种重要的下游产品，它具有非常好的溶解性、快干性，日用工业中它主要用作生产涂料、粘合剂、乙基纤维素、人造革以及人造纤维等的溶剂，对于医药行业可作为提取剂，也可以作为有机酸的产品生产等原料，总而言之乙酸乙酯用途十分广泛，发展前景广泛。

就现在而言乙酸乙酯生产主要有三种方法[4]：①乙醇乙酸直接酯化法；②乙醛缩合法；③乙醇一步法。目前我国常用乙酸乙醇直接酯化法，本装置采用乙酸乙醇直接酯化法来设计工艺及装置，其反应原理为：

乙酸乙酯生产工艺实训装置是化工企业酯类产品制备的重要装置之一，这个装置主要是以乙酸乙醇直接酯化法工艺为基础，以乙醇、乙酸为原料，强酸做催化剂，由乙酸乙酯生成反应、精馏提纯精制、物料回收三个工段来完成生产的实际工艺过程与操作。

(2)生产工艺流程与装置简介

我校新建化工专业学生实习实训平台—乙酸乙酯生产线装置工艺流程见图1，实际生产装置见图2，生产中控室见图3。

图1 乙酸乙酯生产工艺流程简图

图2 乙酸乙酯生产装置

图3 乙酸乙酯生产工艺中控室

本工艺装置由反应工段、精馏分离工段和精馏提纯回收萃取剂三个工段组成。反应工段以反应段、精馏系统为主体，配套有原料罐、反应釜、精馏塔、轻相罐、重相罐等设备；产品分离工段以粗酯塔（填料塔）提纯粗的乙酸乙酯，萃取精馏塔（筛板塔）分离乙酸乙酯和萃取剂分离提纯（填料塔）为主要设备，并且附有冷凝器、产品罐、残液灌等辅助设备。精馏塔和再沸器采用分体式，采用导热油加热，使学生了解反应精馏的工艺、萃取精馏的原理，掌握各单元操作的原理和设备结构，熟悉工厂实际生产的工艺设备和操作，进而使学生具备一定的实践动手经验、强化理论与实践的结合、提高其综合能力。整个系统采用导热油导热系统加热，再现化工厂生产实际，学生熟悉化工厂能源供应形式和导热油加热系统与操作。

图4 DCS控制单元操作

本工艺装置的主要特点是[2-4]：①在DCS基础上配置反应釜部分紧急停车系统，同时配有化工仪表保护系统，对于涉及剧毒、易燃易爆的化工装置培训具有较强针对性，可以培养学生现代化自动化生产的理念，以及在生产实际出现重大事故时如何应对处理的方法和措施。树立在正常工艺生产过程中，由DCS进行工艺控制，只有当过程变量超出预期值，才启动紧急停车系统的思维方式。②实物生产，该装置能小批量生产，可以24h连续，可以培养学生实际生产的理念，加强实际生产的认识。实训装置和仪表均能使用一定浓度的乙酸乙酯溶液中正常运行和使用。③可实现自动化和手动操作生产。

现分工段介绍如下[4]：

①酯化反应工段。乙酸和乙醇由原料罐经乙酸、乙醇进料泵（齿轮泵）打入反应釜中，催化剂采用固体磷钼酸，催化剂由反应釜顶的加料斗加入反应釜中。打开反应釜的搅拌电机，根据工艺需求调节至适当转速，导热油启动循环，然后打开导热油加热开关，使反应釜夹套导热油温度控制在130～140℃，反应釜内温度控制在80℃～90℃左右，进行酯化反应。形成的蒸汽经反应釜顶蒸馏柱冷凝，用蒸馏回流泵打回蒸馏柱，回流反应0.5～1h，提高反应转化率。再经反应釜冷凝器冷凝，冷凝液流到反应釜冷凝罐中，通过回流泵使液体流到中和釜或蒸馏柱。

②中和工段。由反应釜冷凝液罐来的物料以及反应釜的物料加入中和釜中，同时由碱液罐将碳酸钠饱和溶液加入中和釜中，与溶液中的乙酸发生中和反应，再由盐液罐将硫酸钾水溶液加入中和釜中，将反应釜料液中的水吸收到盐溶液中静置半小时，水、醋酸钠、碳酸钠和硫酸钾水溶液作为重相先从釜底排入重相罐中，注意观察视镜界面，出现分液层以后，关闭重相罐的入口阀，开启轻相罐的入口阀，然后将上层的乙酸乙酯、乙醇和微量的水再从釜底排入轻相罐中。

③粗酯精馏工段。将轻相罐内的粗乙酸乙酯用泵打入粗酯塔，经塔釜加热，气体上升，从粗酯塔塔顶出来的乙酸乙酯进入冷凝器冷凝后，到受液罐，受液罐内的轻组分经泵输送到回流头，一部分回流至粗酯塔，一部分作为成品到产品罐；受液罐内的重组分回流到粗酯塔残液罐，塔釜的料液精馏后进入粗酯塔残液罐。

④萃取精馏工段。将粗酯塔（填料塔）产品罐内的粗乙酸乙酯用齿轮泵打入萃取塔与萃取剂混合，进行萃取精馏，从萃取塔塔顶出来的乙酸乙酯气体进入冷凝器冷凝后，到冷凝罐，经齿轮泵输送到回流头，一部分冷凝液回流至萃取塔内，一部分冷凝液作为成品到产品罐。塔釜的残液精馏后，进入萃取塔残液罐。

⑤萃取剂再生工段。将萃取塔残液罐内料液，用泵打入再生塔，塔顶出来的乙醇或水气体进入冷凝器冷凝后，进入冷凝液罐，经泵输送到回流头，一部分冷凝液回流至再生塔，一部分冷凝液到产品罐。产品罐的液体可收集补充原料乙醇或排放；从塔釜出来的残液乙二醇，用泵将乙二醇送至萃取塔循环使用或排放。

⑥萃取剂循环工段。萃取剂乙二醇加入萃取液罐后，由泵将乙二醇打入萃取塔，与原料液混合后起萃取作用。残液中的乙二醇随塔釜残液进入残液罐，用泵打入再生塔，经精馏分离后，乙二醇作为填料精馏塔的残液排至残液罐，用泵将乙二醇送至萃取塔循环使用。

⑦冷凝循环水循环流程。水罐内的冷却水，经水循环泵输送，分别到导热油冷却器管程、反应釜冷凝器壳程、粗酯塔冷凝器、萃取塔冷凝器、萃取剂冷却器、再生塔冷凝器以及蒸发冷凝器，与物料换热后，到凉水塔自然降温冷却后返回到水罐。

⑧导热油加热循环工艺流程。导热油储罐内的导热油，经导热油泵输送，到导热油加热器加热后进入总管给其它系统反应和精馏供热。

⑨尾气和残液处理流程。系统的尾气统一进入尾气总管经尾气洗涤后排放，所有残液进入残液罐进行中和处理至中性后排放。

(3)自动化控制系统

实训装置配套真实的DCS控制系统，能实现对装置的测量、控制和监控功能。工程师站能对控制系统进行离线功能配置和组态下载，也可以对网络各个节点的运行情况进行实时的监控，操作站进行实时监控、可以调整有关配置和某些参数设定。同时还可以实现对实训装置的监控数据趋势浏览以及报表分析等特殊功能。DCS控制系统至少采用三层通信网络结构，分别为信息管理网、过程控制网、控制站内部网络（SBUS）等[4]。中控室应包括控制站柜体、操作站及操作桌椅。

2.生产装置的功能特点和工程知识培训

(1)乙酸乙酯生产平台实训功能

该乙酸乙酯生产工艺实训平台，是由原料经过各个连续生产工段生产出一定浓度产品乙酸乙酯，经过精馏分离提浓后流入成品罐。成品罐的乙酸乙酯再循环至原料罐中，多次循环利用，整个乙酸乙酯的生产装置是一个相对来说较为完整的现代化工艺仿真生产装置。该工艺仿真生产装置贴近生产第一线，可以呈现出乙酸乙酯产品反应精馏生产的现场真实的环境，同时包含完整的乙酸乙酯生产工艺流程和生产过程，可以实现连续化中试生产。

①该生产装置对乙酸乙酯生产单元操作（反应、普通精馏、萃取精馏、导热油加热系统）进行组合，能实现化工单元过程进行操作训练。同时，该生产装置流程还可以进行分割实施，可进行局部间歇或局部连续操作，灵活方便，可以同时满足不同的教学需要。

②该生产装置将乙酸乙酯生产工艺、装备和现代自动化控制技术（DCS）结合起来，采用DCS集散控制和就地仪表加工控组态上位机监控的两种控制方法，根据需要进行切换。该生产装置可进行自动和手动双项控制，能实现自动和手动控制的切换、学生可以进行手动操作，提高动手能力和实验分析、故障排除等能力。

③该生产装置可以进行开车准备、开车、正常乙酸乙酯生产实训操作教学，同时可进行操作、停车、设备维护、工艺指标控制等操作技能训练，还可以通过调整生产条件、优化流程、模拟设置故障点等，对学生进行综合实训。

④该生产装置可实现以下岗位技能培训[4]

A.反应釜工段技能：包括原料配料加料、反应控制、搅拌器、反应回流、物料出料等操作。

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

C.精馏工段技能培训：可进行普通精馏塔、填料塔、筛板塔、萃取精馏、反应精馏操作、回流、产品采出操作、常压精馏、减压精馏等操作。

D.换热工段技能培训：列管式、板式、夹套式、蛇管式换热器操作；（物料）汽-水换热体系、空气-水换热体系、油-水换热体系、（物料）液-水换热体系等体系的操作。

E.流体输送工段技能：离心泵的开停车及流量调节、缓冲罐压力调节、真空泵及真空度调节等操作。

F.化工仪表技能：流量计、液位计、变频器、差压变送器、热电阻、过程控制器、声光报警器、调压模块及各类就地弹簧指针表等的使用；单回路、串级控制等控制方案的实施等。

G.仪表安全技能：故障紧急停车（ESD），SIS系统操作，电磁阀、继电器控制，事故应急处理演练，工艺控制与故障控制的区分。

H.导热油加热技能：导热油加热系统的启动和关闭，导热油流量和温度调节控制，高温油泵的手动和电磁调节，加热系统闭路管路的循环使用等。

3.实训实习平台教学的目的和知识点

生产实习是工科高校实践教学的重要组成部分之一，是培养学生工程实践能力和职业道德的有效途径，是学生做好化工毕业设计的基础，是培养学生工程观点、工程思维的重要教学手段，也是学生从学校走向社会的一个不可或缺的过渡阶段。我校在面对建立长期固定的大型实习基地困难的情况下，建设该实训实习平台的目的是解决因化工厂极力强调生产安全很难接受学生实习的问题，给学生一个实践学习的平台，保证学生在出校时具有一定的实践能力。教师在实习教学中可以让学生综合运用四年的化工理论知识完成以下教学任务。通过乙酸乙酯实训实习教学平台可以完成以下教学内容和目的。

学生通过实习和查资料了解乙酸乙酯生产的主要产品品种和生产规模、特点和经济效益等；了解国内外乙酸乙酯生产工艺和技术的发展趋势；了解车间（工段）的主要原材料和辅料、技术要求和质量规格，以及在生产中的作用；熟练掌握车间（工段）带控制点的生产工艺流程、各单元操作过程及工作原理；掌握车间（工段）主要生产设备、输送泵、仪表、阀门的结构、型号、尺寸、性能、工作原理及使用条件；了解生产过程的原料的计量控制、产品质量的检测分析，原料和产品分析仪器，大致了解主要项目的分析方法；了解车间（工段）和主要管路的平（立）面布置；了解车间（工段）产品的“三废”处理工艺及综合利用；了解车间（工段）产品的技术经济指标以及能耗指标；熟悉车间（工段）的生产组织、技术管理和安全生产情况；了解生产车间的自动化控制技术、原理、参数、控制系统和装备；了解生产车间的DCS界面能控制的工艺参数、控制装备、控制方式和效果；了解导热油炉加热原料和辅料的工艺流程、开炉和闭炉的操作方式、准备工作和运转方式，以及操作注意事项；了解不同换热器的换热方式和用途以及适合的场地、作用；了解乙酸乙酯生产的动力配电和安全生产要求；了解国家对化工企业生产的安全生产禁令。

4.结束语

目前，我国化工高等人才的素质培养中普遍存在的突出问题是：工程实践训练不足，实践能力差，现行培养标准和实际工程需求相差很大。因此，加强实践性教学环节的改革力度，提高学生的实践创新能力是化工高等教育过程中亟待解决的问题[5]。无疑要想提高工程实践能力和专业技能必须建立实习实践平台。我校实践教学平台的建立弥补了当前去化工厂现场实习困难的不足，有利于学生提高工程实践能力、创新能力和工程设计能力，为培养高技能、高素质高端化工技术人才提供了良好的基础，为学生做毕业设计提供了良好的参考。但是，该实习教学平台单一，随着专业建设的发展，我校会有更好更高的实践平台，以满足现代化工教学的需要。