DYH880 微型化工厂虚实结合装置

1.智慧工厂实训平台

1.1智慧工厂装置构成

本智慧工厂以最新的BIOX生物柴油生产工艺为基础，生产生物柴油和甘油，采用大化所的甘油氢解固定床工艺生产1,3-丙二醇。装置可直接进行化工产品的生产，同时也兼顾单工艺的使用与组合运行。

1.1.1装置工艺介绍

实训装置可进行生物柴油及1,3-丙二醇的生产，主要装置为a.酯交换生物柴油反应单元（釜式反应与反应精馏），b.生物柴油精制分离（精馏与多效蒸发）、c.甘油氢解反应单元（固定床与流化床）、d.1,3-丙二醇精制单元（多效精馏与真空精馏）、e.氢气制备单元（电解与压缩单元）、f.三废处理单元（生化处理与膜过程）。

a. 酯交换生物柴油反应单元

原料油和甲醇/酸催化剂在釜式反应器（或微通道反应器）进行反应水解和酯化，生成粗产物，产物包括粗甘油、粗生物柴油及甲醇、水；粗产物进行反应。粗产物在固体碱催化剂上进一步与甲醇进行深度酯交换反应，该反应在反应精馏塔中进行，最终油酯的转化率达以97%以上。

微型装置为一撬装置，由搅拌反应釜、微通道反应器、反应精馏塔及附属泵、预热器、冷凝器及中间储罐构成，尺寸为2（长）×1（宽）×2.2（高）m。

b. 生物柴油精制分离单元

甘油与甲酯、未反应的甲醇经双相分层后进行粗馏塔回收甲醇，甲醇可循环到反应单元；粗甘油进行多效蒸发工段将甘油进行提浓到70%以上。粗甲酯经萃取水洗塔、真空脱水塔得到生物柴油。

微型装置为一撬装置，由双相分离器、精馏塔、真空塔、多效蒸发器、萃取塔及附属泵、预热器、冷凝器及中间储罐构成，尺寸为2（长）×1（宽）×2.6（高）m。

c. 甘油氢解反应单元

新鲜甘油、水、新鲜氢气和循环甘油、循环水、循环氢气混合后进入氢解固定床反应器（或浆态床反应器）生成1,3-PDO，副产物为1,2-PDO、1-PrOH、2-PrOH。

微型装置为一撬装置，由高压双催化剂固定床、单塔浆态床及附属泵、预热器、冷凝器及中间储罐构成，尺寸为1.8（长）×1（宽）×2.2（高）m。

d. 1,3-丙二醇精制单元

氢解反应后的粗产品进入产品预分离塔，分为粗丙二醇和粗丙醇，粗丙二醇进入脱水热泵塔，分出的水进行循环，脱水粗丙二醇进入隔壁塔，精制1,3-PDO；剩余粗1,2-PDO、1,2-PDO精制塔得到精制1,2-PDO。同时粗丙醇进入萃取精馏塔进行萃取精馏，精制1-PrOH产物。

微型装置为一撬装置，由热泵塔、隔壁塔、真空精馏塔、精制塔共5个塔构成及附属泵、预热器、冷凝器及中间储罐构成，尺寸为2.8（长）×1（宽）×2.6（高）m。

e. 氢气制备单元

水电解制氢是由浸没在电解液中的一对电极中间隔以防止气体渗透的隔膜而构成的水电解池，当通以一定的直流电时，水就发生分解，在阴极析出氢气，阳极析出氧气。产生的氢气进入干燥部分，由干燥剂吸附氢气携带的水分，并可进行压缩达到使用压力。

微型氢气制备单元装置采用最新PEM水电解制氢，系统包括下列单体设备：PEM水电解槽及分离器、冷却器、原料水制备装置；碱液制备及贮存装置；氢气纯化装置；氢气储罐；氢气压缩机等。尺寸为1.0（长）×0.8（宽）×1.6（高）m。

f. 三废处理单元

三废处理单元主要是处理精馏过程中的废水，将废水的COD处理到排放的标准，采用的微电解和芬顿法。水集进入到酸碱中和池，通过加液碱中和ＰH值到之间后由提升泵提升送到微电解池,微电解池内填装Fe-C填料并通入空气。水停留一段时间后自流进入芬顿塔通过投加芬顿试剂，经过氧化后的水自流进入氧化池。氧化池配套臭氧机，通过臭氧机投入氧化池内强氧化剂去除病原体。出水经过柱状活性炭过滤吸附水的固体悬浮物和部分有机物，出水可以达到排放目的。一部分水可进膜处理系统达到回用到前面反应系统。中水经过陶瓷膜作为反渗透的预处理，陶瓷膜去除了水中的悬浮物，细菌等杂质，陶瓷膜清液经泵进入反渗透系统，反渗透产品水经收集回用。

微型装置三废处理单元主要包括调节池、电解池、氧化塔、臭氧发生器、中间水槽、超滤纳滤膜过滤、反渗透膜组件等，及相关输入泵。

1.1.2装置优势

（1）装置微型化、模块化程度高，组合方便

基于釜式反应与反应精馏、精馏与多效蒸发、固定床与流化床、多效精馏与真空精馏、电解与压缩单元及生化处理与膜过程，建设化工单元实验装置。将化工单元进行微型化处理，使装置移动方便，有利于老师在多种环境下（如实验室、课堂、大赛等）进行相关化工实验的讲解及操作演示。化工单元模块标准化程度高，可直接进行化工产品的生产，同时也兼顾单工艺的使用与组合运行，操作简单，组合方便。该装置将化工原理等相关专业知识与实验中相结合，有利于培养学生的动手、实践能力。

（2）涉及工艺类型多，流程级的综合能力培养

该装置包含釜式反应与反应精馏、精馏与多效蒸发、固定床与流化床、多效精馏与真空精馏、电解与压缩及生化处理与膜过程等工艺，类型多样且均为化工原理等相关专业学习中普遍的、重要的工艺。装置以最新的BIOX生物柴油生产工艺为基础，生产生物柴油和甘油，采用大化所的甘油氢解固定床工艺生产1,3-丙二醇。流程完善且反应的安全系数高，学生可进行认知、实践操作学习，有利于培养学生对反应、工艺、实验操作等的综合能力。

（3）支持科研成果的实体化、教学化转换

装置中包含的多种工艺既可单独使用，也可以组合运行，因此，相关的创新想法、科研成果等内容均可以通过该装置进行验证、校核，将科研成果实体化，有利于培养学生的创新思维和发现问题、解决问题的能力。同时，可将验证后的科研成果应用于教学，有利于拓展学生学习的宽度和深度，培养学生的思辨能力并提升学生的专业文化素养。

1.2三维可视化综合管控系统模块

1.2.1数据可视化

系统在三维仿真模型和DCS的基础上对微型化工厂的运行生产数据进行实时展示，并通过工艺图、数据图等形式展示生产过程及过程中的数据变化，通过清晰、准确、简洁的数据展示和数据图，为用户提供全方位的信息服务，帮助其掌握化工厂的运行状况。此外，数据可视化还有利于解决化工厂运营管理过程中数据碎片化、数据异构化的可视问题。

1.2.2运行调控管理

系统通过物联网模块，并结合化工厂中控室运维操作规范，模拟执行化工厂运行生产管理的任务，用户可根据相关专业知识及经验等进行化工厂运行调控管理，培养其化工厂智能化运行与信息化管理等岗位核心实践技能。同时，通过实时数据监控观察并掌握化工厂的运行状况，能及时发现问题并有效避免事故的发生，提高化工厂生产的稳定性、安全性。

1.2.3预警预案训练

在装置运行时，通过实时数据与内置的算法模型，实现对装置运行时的异常情况进行报警与预警，保证实训装置的运行安全。同时内置化工厂典型突发应急事件及相应的应急预案，用户可评估应急预案的可行性并进行应急响应操作，系统会根据用户的响应操作，智能评估用户操作的合理性、可行性。通过模拟突发应急事件，进行预警预案演练、训练，可以提高系统内置应急预案的可行性、科学性、实用性和可操作性，提高用户的应急响应能力。

1.2.4模拟巡检训练

通过在三维可视化综合管控系统事先预设多种巡检路线，通过系统发布巡检任务，学生接受任务后对巡检路线上的装置设备进行逐一查看，并对重要指标进行记录并分析，模拟工厂实际巡检流程，并结合仿真模型展示一些异常数值，对学生能否发现该异常值，并判断异常的原因及产生的后果做考核训练。

1.3 AI助教在实训平台的应用

1.3.1微型化工厂智能报警

利用人工智能、物联网、大数据等技术，与微型化工厂安全生产管理联动，提供辅助决策支持，对化工厂安全状况进行实时监测和预警。通过统计分析方法，智能报警系统能够识别和减少无效报警、重复报警等问题，提高报警的准确性和可靠性。微型化工厂智能报警系统通过先进的技术手段，提高了微型化工厂安全管理的效率和效果，减少了事故发生的风险，保障了人员和设备的安全。

1.3.2运行生产流程的规范分析

基于人工智能技术，对用户在微型化工厂运行生产过程中的操作流程进行智慧分析和评估，确保用户在操作的准确性、规范性、安全性，能进一步保障生产安全，提高生产效率。通过运行生产流程规范分析功能，可以评估学生生产过程中的动手实操操作能力，专业水平能力，是否满足工厂岗位的要求等分析，有助于提升学生的专业文化素养和就业竞争优势。

1.3.3化工产品的分析-引用模型分析

运用AI分析及相应的计算模型，对生产制取的化工产品进行纯度、稳定性、产量、生产消耗时间等指标进行分析，确保生产制取的化工产品质量达到标准。系统对化工产品进行分析还可以帮助用户及时发现和解决生产过程中的问题，优化工艺，减少废物和能源消耗，降低生产成本，同时保障产品产量和质量。

2.智慧设计教学平台

2.1工艺辅助设计系统

基于化工原理等相关课程设计、毕业设计的流程，引导学生进行基础认知、工艺过程控制（分层控制、反馈控制等）及设计计算训练；系统拆分设计内容更并提供关键节点设计计算，培养学生的学习兴趣和自主学习能力。系统将传统课程设计中不宜把控的计算过程与三维模型进行关联，实现专业知识可视化表达，达到培养学生可自主进行初步设计的能力。

2.2化工厂课程认知实习系统

以实际化工厂工程为原型，通过BIM仿真模型1:1比例还原化工厂环境及工艺单元等，便于学生快速直观了解和掌握化工工程的总体布置、化工单元构成、化工生产流程等内容。同时，以文本、视频、化工单元实景照片、工艺生产流程展示等多种方式，让学生进一步了解化工厂相关工程属性，提高学生对工程概念的认知水平以及将专业知识应用于工程的能力。

2.3智慧化AI课程教学系统

基于化工原理等相关课程的重点、核心知识元，如：化工参数测量方法、流体力学实验、传热实验、吸收实验、精馏实验等，开发出多元化表达形式的控件，如：知识图谱、AI问答、元宇宙、数字教师、工程应用、数据流计算、微课、仿真实验、仿真认知等二十余种知识元表达方式，辅助教师进行化工原理等相关课程课堂深度教学，提高教学的丰富性、多样性与层进性。此外，形式多样的知识讲解还可增强学生学习的投入性与沉浸性，会提高学生对知识的理解水平并促进知识的转化。

2.4 AI助教在设计教学平台的应用

2.4.1知识图谱功能

知识图谱是一种教学辅助工具，它的构建包括知识点、关系、属性等。以化工原理为知识核心，把化工工艺单元、化工原理基础实验、传热计算、非均相物系分离、流体流动等重点知识进行解析学习。将化工原理等相关专业知识点进行“离散重构”，可以帮助学生构建完整的知识体系，有利于学生更好地理解知识并进行解析学习，提升学习效率，提高学生的化工专业文化素养。

2.4.2专业问答功能

利用人工智能技术，基于专业的自然语言交互问答，并可根据学生的学习情况进行引导式教育。学生可以询问化工原理等相关专业知识学习过程中的疑惑、不解等内容，在问答过程中，能够维持对话上下问，进行多轮交互以提供更详细的解答。专业问答功能作为教学辅助工具，减轻老师负担，同时，有利于学生跨专业、跨学科地了解更多知识并进行深度学习。

2.4.3学情分析功能

在“AI+教育”和个性化学习的背景下，学情分析功能在化工专业教育领域具有至关重要的作用，通过该功能，老师可以更全面地了解学生，帮助老师调整和改进化工原理等相关课程的教学内容、方式等，优化教学策略，实现因材施教，有利于提升教学针对性、教学效率和教学质量，促进教育智能化、个性化。

2.4.4学生能力图谱功能

学生能力图谱功能旨在分析和展示学生的能力结构、个性特征、技能等多维度信息，帮助理解和关联学生能力与学业和职业之间的关系，有利于帮助学生在学业和职业规划上做出更明智的决策。结合人工智能技术，对学生的能力进行智能评估和预测，有利于学生的学习和发展。

2.4.5课堂AI助理功能

结合人工智能技术，课堂AI助理功能旨在通过数字化手段辅助教学活动，其可总结化工原理等相关课程的PPT课件内容，提取出核心内容，兼备作业布置、考核等功能，可实现知识传授、答疑解惑、学习指导等教学功能，辅助老师进行课堂教学。课堂AI助理可以提供个性化的教学内容和方法，满足不同学生的学习需求，有利于减轻老师负担，提高教学效率和质量，同时，有利于促进教育智慧化、个性化。