甲醇合成与精制虚拟仿真教学系统设计与应用.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 4 期 2023 年 8 月Vol.26 No.4 Aug.2023 甲醇合成与精制虚拟仿真教学系统设计与应用黄泽恩,刘文杰,周永生,黎 珊,吴炳辉,马有福(常州大学 石油化工学院,江苏 常州 213164)摘 要:结合化工企业工程设计与安全生产规范,以常州大学化工国家级虚拟仿真项目为例,设计甲醇合成与精制虚拟仿真实验教学系统。依据实验系统的开放原则,设计了包含厂区漫游模块、生产操作仿真模块、设备仿真模块和在线考核模块的教学系统。该系统为学生提供了灵活的学习模式,创新了教学体系。实践表明,该系统基于虚拟现实技术,以新颖的教学模式,激发了学生的学习兴趣,提高了学生的学习效果,强化了学生的工程素养。关键词:仿真;甲醇生产;实验教学中图分类号:G642.0;TQ421 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.04.033Design and application of methanol synthesis and refining virtual simulation teaching systemHUANG Zeen,LIU Wenjie,ZHOU Yongsheng,LI Shan,WU Binghui,MA Youfu(School of Petrochemical Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)Abstract:Combined with the standard of chemical engineering design and production safety,take the chemical engineering national virtual simulation project of Changzhou University as an example,design the experimental teaching system of methanol synthesis and refining based on simulation technology.According to the development principles of the experimental system,the teaching system is designed which includes plant roaming module,production operation simulation module,equipment simulation module and online examination module.The system provides students with a flexible learning mode,innovates the teaching system.Practice shows that the system is based on virtual reality technology,stimulates students interest in learning with novel teaching models,improves students learning effect and strengthens their engineering literacy.Key words:simulation;methanol production;experimental teaching 收稿日期:2021-10-27 修改日期:2022-03-28作者简介:黄泽恩,硕士,实验师,研究方向为虚拟仿真教学,非均相催化。E-mail:hze 基金项目:江苏省高等教育教改重点研究课题(项目编号:2021JSJG138);2022 年江苏省高校实验室研究会立项资助研究课题(一般)(项目编号:GS2022YB01);2020年常 州 大 学 教 育 教 学 研 究 课 题(项 目 编 号:GJY20020046);2021 年度常州大学大学生课外创新创业基金项目(项目编号:ZMF21020278)。甲醇是最简单的饱和一元醇,在工业上发挥着重要的作用1。生产实习是化工专业学生的重要实践课程2-3,但是由于化工工艺流程复杂、自动化程度高、设备机械仪器先进、对人员的现场操作要求高等因素限制,传统实习方式不能展示甲醇生产完整流程,导致学生缺少对化工企业的厂区设计,工艺流程以及关键设备的认识。培养具有工程实践能力人才是化工专业教学的重点、难点,实习实践环节是培养学生实践能力与工程素养的重要教学内容4。本文以常州大学国家级虚拟仿真教学项目“甲醇合成与精制 3D 仿真软件”为例,设计生产实习仿真实验教学系统。1 仿真系统开发原则与架构1.1 实验系统开发原则仿真实验系统从设计上遵从“以学生为中心、任务为主导、效果为引领”的实训理念5,采用三维黄泽恩,等:甲醇合成与精制虚拟仿真教学系统设计与应用虚拟现实技术,对甲醇生产装置中的各种化工设备、工艺管线、安全设施、中控室、办公大楼、罐区等场景进行三维建模,将甲醇的工业生产过程形象逼真地呈现,实现对甲醇合成与精制生产操作的全流程模拟。虚拟仿真系统将甲醇生产的工艺流程中涉及的操作规范与化工类专业涵盖的化工原理、反应工程、化工仪表及自动化、化工设计概论、化工过程分析与合成等课程相联系,实现理论知识与生产实践的有机结合,如图 1 所示。图 1 仿真实习与理论课程的关系1.2 实验教学系统架构甲醇生产实验教学系统以丰富的互动任务及知识内容,搭载智能语音识别技术,自主导航模式快速熟悉工业布局,工艺交互建立工艺认识,安全及工艺搭接规范互动建立安全意识,流程搭接考核,完备的综合测评系统,评估学习效果。本生产实验教学系统包含认识实习和生产实习,主要由 4 个模块组成。(1)厂区漫游模块:通过任务式漫游,熟悉生产线上的主要设备、设备布局、物料流程等,初步掌握工艺路线。(2)操作仿真模块:熟悉工艺流程,对具体工段的流程操作实验,使学生能深入理解工艺以及相关的安全设计规范。(3)设备仿真模块:对换热器、精馏塔等仿真设备,动态展示设备的主要零部件和运作原理,可以进行设备拆装。(4)在线考核模块:根据学习需求,设置培训班,组织随堂小测验,建立考试,检验生产实习的效果。2 系统模块设计与功能2.1 厂区漫游模块厂区漫游设置了安全培训、工艺讲解、设备拆装以及自控学习等 4 个方面的培训。以工厂宣传栏、中央控制室、合成区、精制区以及产品储运等区域漫游并配合语音讲解,实验系统设置 NPC(非玩家角色)引导学员完成漫游任务,重点了解工厂布局、安全防护措施、工艺管道以及重要设备等。2.2 操作仿真模块该模块以甲醇生产流程,合成气加热列管式反应器预塔加压塔常压塔回收塔,设置了甲醇合成与精制两个流程工段,详细的操作流程以及评价标准。学生在操作过程中,要注意操作反应过程中的系统温度、压力、流量以及产品质量等变量,系统底层有内置算法,从普通步骤操作、质量步骤操作、趋势步骤操作以及操作失误等 4 个维度进行评价。学生进入软件系统学习,仿真系统中设置一个班组,包含值班长、操作员、内操员。学生在操作时可以一人多角色,也可以多人多角色。如图 2所示,现以甲醇合成工段冷态开车为例介绍仿真实验的设计与功能。冷态开车主要包括以下过程。图 2 甲醇厂区场景图(1)系统置换。冷态装置中,缓慢开启低压氮气入口阀,向装置中通入氮气,开启放空阀,置换装置中的氧气,使循环气中氧气体积浓度降至 0.25%以下;氧气置换合格后,关闭氮气入口阀和放空阀保压。(2)建立氮气循环。开启冷凝水,投用换热器,打开防喘振阀,先开压缩机前阀,启动蒸汽透平,再开启压缩机后阀,观察压缩机的出口压力是否大于进口压力并且压缩机是否运行正常,如果出口压力大于进口压力且压缩机运行正常,关闭喘振阀。(3)建立汽包液位。开汽包放空阀,打开汽包进锅炉水控制阀的前后阀及控制器,待液位超过20%后,关汽包放空阀,汽包液位接近 50%时,投自动。(4)氢气置换充压。现场开启氢气入口阀进行氢气置换、充压,开启放空阀,将氮气体积含量降至1%,系统压力升至 2MPa,N2的体积含量和系统压力合格后,关闭氢气入口阀及放空阀。(5)投原料气。打开 H2、CO 混合气进料控制的331前后阀,再打开混合气进料控制阀,并注意透平蒸汽进量控制,打开 H2进料控制阀,将系统压力升至 5 MPa 后关闭混合气进料控制阀和 H2 进料控制阀。(6)反应器升温。开启开工喷射器的蒸汽入口阀,给合成塔提供热源,使反应器温度缓慢升至210。(7)调节至正常。反应稳定后关闭开工喷射器的蒸汽入口阀,缓慢开启混合气进料控制阀和 H2进料控制阀,使 H2与混合气流量比约为 1,当系统压力接近 4.9MPa 的时候,将循环气压力控制投自动,设置 SP 值为 4.9;开启粗甲醇采出现场前后阀,当分离罐液位超过 30%,开启分离罐液位控制,液位接近 50%投自动,设定值为 50%;开启汽包蒸汽出口前后阀,当汽包压力达到 2.5MPaA 后,开汽包压力控制并入中压蒸汽管网,当汽包蒸汽出口控制器接近 4.3MPaA,投自动并设定 SP 值为 4.3;通过调节参数体系达到稳态后,投用联锁,完成操作。2.3 设备仿真模块该模块主要针对化工企业常见设备,例如换热器、精馏塔、离心泵等,重点讲解其工作原理,对设备主要部件实现交互设备拆装操作,同时可在线扩展知识,交互性学习。教师可将化工设备相关课程课件与本模块结合,实现课堂和实验的双重交互。如图 3 所示。图 3 设备拆装图2.4 在线考核模块本模块中,教师可以组织培训和考试。组织考试,教师可以在线设置理论试题和仿真考试项目,由学生完成,检查学生理论知识和仿真实验操作的掌握情况。3 系统应用3.1 学习模式与效果本实验教学系统依托由常州大学建设的江苏省化学化工虚拟仿真实验教学共享平台(以下简称:共享平台),采用线下集中学习和线上客户端自主的学习模式。线下学习主要以工艺流程,DCS 理论及操作和重要设备讲解为主。线上学习采用客户端的方式,学生可以随时登录共享平台,利用碎片化时间完成甲醇合成与精制厂区漫游,学习厂区布置、车间布局等知识,同时能够完成开车、停车、紧急停车以及常见事故的处理。线上和线下的教学相融合,这种教学模式使学生有了更大的学习自主性与灵活性,教师更容易设计翻转课堂,形式更加丰富,提高教学与学习效率6。3.2 优化仿真教学体系先进的仿真技术,信息量大的虚拟仿真实验以及共享平台为学生提供了更加灵活的学习方式,创新了教学体系7-8。利用先进的虚拟仿真技术,不仅在日常的教学中发挥了重要的作用,而且能提高学生的自我学习能力,促进学科竞赛、创新创业的发展 9-11。4 结语甲醇生产仿真实验教学系统虽然对于培养学生的工程素养有一定帮助,但是进一步提高教学效果、丰富教学内容、优化评价体系仍刻不容缓。化学工程教育要求理论与实践相结合、知识传授和能力培养结合、生产实践和科学研究相结合,培养化学工程复合型人才,因此结合虚拟仿真技术的优势持续完善实验教学项目是一项任重而道远的任务,如何借助现代化技术培养优秀的化工工程人才也是今后要解决的一项重要课题。参考文献(References):1 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