高职燃气工程技术专业三年级《智能化背景下燃气净化工艺升级与优化》教学设计

高职燃气工程技术专业三年级《智能化背景下燃气净化工艺升级与优化》教学设计

  一、课程分析

  （一）课程定位与性质

  本教学单元隶属于《燃气生产工艺与设备》核心专业课程，定位于专业能力集成与创新应用阶段，面向高职燃气工程技术专业三年级学生开设。此时，学生已完成《化工原理》、《燃气输配》、《自动化仪表与控制》等前导课程的学习，具备了燃气生产基础工艺、设备原理及基本控制逻辑的知识储备。本单元的教学聚焦于工艺系统的“升级与优化”，旨在引导学生从单一设备认知向全流程系统分析跃迁，从标准操作规程执行向工艺参数优化与技术创新设计转型。其性质不仅是已有知识的综合应用，更是面向行业智能化、绿色化发展趋势的前沿探索，是培养学生工程思维、解决复杂工程问题能力及创新意识的关键环节，直接对接学生顶岗实习与未来职业发展中担任技术骨干或工艺员的岗位需求。

  （二）学情分析

  本阶段学生呈现出以下典型特征：知识层面，他们对传统燃气净化（如脱硫、脱水）的工艺流程、主要设备（吸收塔、再生塔、换热器）的结构与功能已有系统性了解，但对各单元操作之间的深度耦合关系、工艺参数间的动态影响机理理解尚显模糊。技能层面，他们能够识读标准工艺流程图（PID），操作仿真软件进行常规开停车训练，但缺乏基于真实数据与约束条件进行工艺分析、瓶颈诊断与优化方案设计的能力。认知与态度层面，“00后”高职学生思维活跃，乐于接受新技术、新概念（如物联网、大数据），对智能化工具具有较高的接受度，但同时也存在理论联系实际深度不足、面对多变量复杂问题易产生畏难情绪、系统性与持久性探究能力有待加强等问题。因此，教学设计需在巩固其知识底盘的基础上，创设高度仿真的工程情境，引入行业真实案例与数据，激发其探究兴趣，通过阶梯式任务驱动，引导其经历“分析-诊断-设计-评价”的完整工程实践过程。

  （三）教材与资源分析

  现行主流教材对燃气净化工艺的原理阐述较为详尽，但案例相对传统，对以过程模拟、先进控制、能效优化为核心的现代工艺升级技术涉及较浅，更新速度滞后于行业实践。因此，本设计采取“教材基础+前沿拓展”的资源整合模式。核心资源包括：1.校本化活页式工作手册，整合了来自合作企业（如某大型城市燃气企业生产部）的最新工艺改造案例、运行数据报表及问题诊断报告；2.专业级流程模拟软件（如AspenHYSYS或国产等效软件）的教学许可版本，用于构建燃气净化工艺数字孪生模型，进行虚拟仿真与优化实验；3.企业专家讲座录像与现场巡检视频资料，聚焦智能化控制系统（DCS/SCADA）操作界面解读、现场传感器与执行机构升级实例；4.行业标准与规范电子资源库，如《城镇燃气设计规范》（GB50028）最新版中关于排放、能效的条款，以及《智能制造标准体系建设指南》中相关要求。这些资源共同构成一个立体化、动态更新的学习环境，确保教学内容紧贴行业技术发展前沿。

  二、教学目标

  基于上述分析，依据“知识-能力-素养”三位一体的理念，设定本单元教学目标如下：

  （一）知识目标

  1.深入阐释在“双碳”目标与智能化转型背景下，燃气净化工艺升级的核心驱动力（如环保法规趋严、能效标准提升、智能运维需求）及其主要技术方向（精细化控制、工艺耦合强化、低碳化改造）。

  2.系统比较传统化学吸收法脱硫与基于新型溶剂、膜分离、吸附材料等升级工艺的技术原理、流程差异、适用条件及经济环境性指标。

  3.准确解析典型燃气净化单元（以MDEA法脱硫和TEG法脱水为例）工艺参数（如循环量、贫液温度、再生温度压力）与关键性能指标（产品气H2S/CO2含量、露点、溶剂损耗、蒸汽消耗）之间的内在关联与数学模型基础。

  4.概述智能传感网络、先进过程控制（APC）、实时优化（RTO）系统在工艺升级中的集成应用架构与基本原理。

  （二）能力目标

  1.分析与诊断能力：能够基于给定的生产日报、趋势曲线及设备运行数据，运用流程模拟软件或计算工具，诊断现有净化工艺在净化度、能耗、物耗等方面存在的瓶颈问题，并定量分析其产生原因。

  2.设计与优化能力：能够针对特定瓶颈，构思不少于两种工艺升级或操作优化方案（如：贫液精细过滤流程改造、再生塔底热泵集成、吸收段增设内构件强化传质、引入前馈-反馈复合控制系统等），并利用模拟软件进行虚拟测试，对比评估各方案的技术可行性、经济效益与环境影响。

  3.模拟与仿真能力：熟练运用流程模拟软件，搭建并校准基准工况下的燃气净化工艺模型，能进行灵敏度分析，探究关键操作变量对系统性能的影响规律，为优化提供数据支持。

  4.表达与协作能力：能够以小组形式，撰写结构清晰、论据充分、图表规范的工艺升级可行性分析报告，并进行专业化的口头汇报，有效回应质疑，开展技术辩论。

  （三）素养目标

  1.培育严谨求实、精益求精的工匠精神，在数据分析和方案设计中养成一丝不苟、追求最优的职业习惯。

  2.强化绿色低碳与可持续发展的工程伦理意识，在工艺方案选择与评价中自觉权衡经济效益与环境社会效益。

  3.建立系统思维与创新意识，能够从全局视角审视工艺系统，敢于并善于运用跨学科知识（如控制工程、材料科学、信息技术）提出创新性解决方案。

  4.增强团队协作与沟通能力，在项目式学习中体验工程实践的协作本质。

  三、教学重点与难点

  （一）教学重点

  1.燃气净化工艺升级的技术经济与环境多目标综合评价体系的构建与应用。重点在于引导学生超越单一技术指标，建立涵盖净化效率、能耗物耗、投资成本、运行维护复杂性、碳排放、安全性等维度的综合评价框架。

  2.利用流程模拟软件进行工艺瓶颈诊断与优化方案虚拟验证的方法论。重点在于掌握从实际数据到模型校准，再到假设提出与仿真验证的完整数字化工程分析流程。

  （二）教学难点

  1.工艺参数多变量耦合关系的理解与解析。难点在于学生对吸收-再生这一动态平衡体系中，温度、压力、流量、浓度等多个变量间非线性、交互影响的机理理解存在困难。

  2.将智能化概念（如APC、RTO）具体转化为可操作的工艺控制改进点。难点在于跨越控制理论与具体工艺应用的鸿沟，理解如何将高级算法（如模型预测控制MPC）的逻辑映射到对阀门开度、设定值调整等具体操作上。

  四、教学策略与方法

  为达成教学目标、突破重难点，本设计采用“项目引领、虚实结合、学做评一体”的总体策略，具体方法如下：

  1.基于真实项目的探究式学习（PBL）：以合作企业提供的“某燃气门站脱硫装置提效降耗改造”真实需求作为贯穿始终的驱动项目。学生以4-5人小组形式，扮演“工艺技术攻关小组”，经历从接收任务、分析现状、提出方案、模拟验证到撰写报告、答辩评审的全过程。

  2.虚拟仿真与实操训练深度融合：利用流程模拟软件构建高保真工艺模型，作为学生进行无数次“虚拟实验”的沙盘，允许其安全、低成本地尝试各种优化甚至激进方案，观察结果，理解规律。同时，在模拟训练的基础上，安排在校内燃气实训基地进行相关控制系统组态与参数整定的实操，强化动手能力。

  3.支架式教学与分层任务设计：针对难点内容，提供结构化学习支架，如“工艺参数关联思维导图模板”、“智能化升级技术选型指南”等。将项目任务分解为阶梯式子任务（如：任务一：基准模型建立与校准；任务二：能耗瓶颈诊断；任务三：提出并初步筛选优化方向；任务四：详细方案设计与模拟对比；任务五：经济环境效益概算与报告撰写），适应不同层次学生的学习节奏。

  4.行业专家嵌入与同伴互学：邀请企业工程师在线或现场参与关键节点（如开题、中期检查、终期答辩）的指导与点评。鼓励小组内部分工协作、观点碰撞，组织小组间方案互评，营造深度学习氛围。

  五、教学实施过程（共24学时）

  本单元教学实施过程分为四个阶段，具体安排如下：

  第一阶段：情境导入与任务解析（4学时）

  1.创设情境，引发认知冲突（1学时）。播放经过剪辑的行业新闻报道与专家访谈，聚焦“双碳”战略下燃气行业面临的排放标准升级压力，以及智能化转型中传统工艺暴露出的响应迟缓、能效偏低等问题。呈现企业提供的真实案例背景：某燃气门站，其脱硫装置设计处理能力满足要求，但近期运行数据显示净化气H2S含量波动接近上限，蒸汽单耗持续高于设计值15%，企业要求在不进行大规模设备更换的前提下，提出升级优化方案，确保稳定达标并降低运行成本。由此引出核心问题：“如何利用现有框架，通过工艺与控制优化，实现提质降耗？”

  2.知识回顾与概念深化（2学时）。教师引导学生以思维导图形式，快速回顾MDEA法脱硫与TEG法脱水的经典流程、设备与基本原理。随后，重点深化讲解：①吸收与再生过程的热力学与动力学基础，引入平衡级、传质速率概念，解释参数耦合的根源；②解读关键性能指标（KPIs）的计算方法与意义，不仅包括产品气质量，更强调能量效率指标（如单位处理量的蒸汽消耗、溶液循环功耗）。发放“工艺参数关联卡”，让学生分组讨论并尝试连线，标示出如“提高再生温度”可能对“贫液纯度”、“蒸汽消耗”、“溶剂降解率”等产生的多重影响。

  3.项目任务发布与工具准备（1学时）。正式发布项目任务书，明确各阶段产出物、评价标准与时间节点。指导学生安装并初步熟悉流程模拟软件界面，导入案例中的基础工艺数据包（物料组成、设计参数、设备尺寸等），完成软件操作基础培训。

  第二阶段：基准建立与瓶颈诊断（6学时）

  1.基准流程模拟模型搭建与校准（3学时）。学生小组协作，在教师提供的流程模板基础上，根据案例数据，在模拟软件中搭建完整的脱硫（或脱水）装置模型。核心任务是利用给定的近期稳定运行数据（进料气量、组成、温度压力，以及部分中间测点数据），对模型进行校准，确保模拟结果与实际运行数据在主要KPIs上吻合（误差允许范围内）。此过程是后续所有分析可信度的基础，教师巡回指导，重点解决学生在物性方法选择、设备参数设定、收敛技巧上的问题。

  2.数据深度分析与瓶颈初步定位（2学时）。要求学生导出模拟结果，并对照企业提供的更长时间段的历史数据报表（如月度运行汇总），进行趋势分析和统计对比。使用软件提供的“工况分析”或“数据拟合”工具，绘制关键操作变量（如贫液入塔温度、再生塔压力）与关键性能指标（如净化气H2S含量、再沸器负荷）的关系曲线。引导思考：哪些变量的微小变化对能耗或净化效果影响最敏感？当前操作点是否处于最优区间？

  3.瓶颈诊断报告撰写与小组研讨（1学时）。各小组基于分析，撰写简短的“工艺现状与瓶颈初步诊断报告”，明确指出他们认为最主要的1-2个瓶颈问题（例如：“再生塔负荷偏高是导致蒸汽消耗大的主因”、“吸收塔上部传质效率不足导致净化气指标波动”），并附上模拟数据或趋势图作为依据。组织第一次小组间研讨会，各组轮流陈述诊断结论，接受他组和教师的质询，在辩论中修正和完善自己的分析视角。

  第三阶段：方案构思与虚拟验证（10学时）

  1.升级优化技术路径头脑风暴（2学时）。教师系统介绍当前燃气净化工艺升级的主流技术路径库，包括：（a）工艺强化：如采用高效规整填料或塔板替代传统散堆填料、增设原料气预冷或贫液冷却器优化温度分布、引入闪蒸或级间泵送等流程改进；（b）溶剂与材料升级：简要介绍选择性更高、再生能耗更低的新型溶剂，或高性能膜材料、吸附剂；（c）智能化控制：讲解前馈控制、串级控制、模型预测控制（MPC）在解决大滞后、多变量耦合问题上的原理与应用潜力。学生小组结合自身诊断的瓶颈，从“技术路径库”中选择2-3个最可能解决问题的方向进行深入研究。

  2.详细方案设计与模拟实现（6学时）。这是核心实践环节。各小组需针对选定的优化方向，设计具体的改造方案。例如，若选择“工艺强化-优化温度分布”，需确定新增换热器的具体位置、热负荷估算、流程连接方式；若选择“智能化控制-引入前馈”，需设计前馈变量（如进料气流量、H2S浓度）、被控变量、控制算法逻辑框图。随后，在基准模型上进行修改，实现新方案的虚拟搭建。通过模拟运行，获取新方案下的各项KPIs数据。要求每个方案至少进行一组关键操作参数的灵敏度分析，以探寻最优操作区间。

  3.多方案对比分析与初步优选（2学时）。指导各小组建立简易的多准则决策分析矩阵。准则至少包括：技术效果（净化度提升百分比）、经济性（投资成本估算、年运行费用节约额）、操作性（对现有系统改动程度、控制复杂性）、环境性（单位产品碳排放减少量）。利用模拟得到的数据，填充矩阵，进行加权评分或优势对比。各小组内部讨论，形成倾向于推荐的优选方案，并准备详细的论据。

  第四阶段：成果集成、评价与迁移（4学时）

  1.综合报告撰写与可视化呈现（2学时）。学生小组整合前期工作，撰写完整的《XX门站燃气净化工艺升级可行性分析报告》。报告要求结构完整，包含摘要、现状分析、瓶颈诊断、备选方案及模拟验证、技术经济环境综合比较、推荐方案与实施建议、参考文献等部分。鼓励使用专业图表（如PID修改示意图、模拟结果趋势对比图、经济性分析柱状图）增强表现力。同时，准备最终答辩的PPT。

  2.项目答辩与多元化评价（1.5学时）。举办模拟技术评审会。邀请企业导师（线上或现场）、专业教师组成评审团。各小组进行15分钟的汇报，随后接受10分钟质询。评审团依据预先公布的评分细则（涵盖技术合理性、数据详实度、方案创新性、报告与表达质量、团队协作表现等）进行评价。同时，组织小组间进行互评。

  3.总结反思与知识迁移（0.5学时）。教师对各组表现进行总点评，重点梳理在项目过程中暴露出的共性问题、突破重难点的成功经验，以及体现出的核心素养亮点。引导学生反思从“已知”到“未知”的探索过程，强调系统思维和数字化工具在解决现代工程问题中的核心地位。布置迁移性思考题：“如果将同样的优化思路应用于焦炉煤气或生物质燃气的净化，需要考虑哪些新的变量和约束条件？”为后续学习或毕业设计埋下伏笔。

  六、教学评价设计

  本单元采用过程性评价与终结性评价相结合、定量与定性评价相补充的多元评价体系。

  1.过程性评价（占总评50%）：（a）学习参与