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虚拟教学

乙酸乙酯合成三维虚拟仿真实训软件

功能简介

   一、研制背景

由乙酸和乙醇发生酯化反应合成乙酸乙酯的生产工艺在化工领域有着典型性。由于它的合成流程代表性强(合成过程包括反应,蒸馏,萃取精馏等等操作),原料成本低,在化工生产综合实训方面已成为教学的经典范例。在传统的化工生产实训中,由于设备、空间限制等因素影响,学生常常难以独立操作,更难以重复操作。模拟仿真实训软件利用动态数学模型来实时模拟真实实验现象与过程,可以使每位学生都能虚拟仿真生产环境与装置中,在不同岗位模拟动手操作,观察现象,记录数据,验证公式、原理定理,与实际生产过程配合,可以达到更好的生产实训效果。

   二、软件简介

本套软件基于virtools三维虚拟现实技术平台构建,在计算机屏幕上,逼真再现了真实的乙酸乙酯合成的操作场景与生产装置,利用构建的动态数学模型来实时模拟真实生产过程与现象,仿真模拟了乙酸乙酯生产的全部化工过程及五个岗位的技术操作;在理论模型和实验数据的基础上,采用系统工程和过程优化方法模拟单元操作过程,通过模块和程序实现三维动态全景漫游与动态实时交互设计,拥有熟悉单元设备与生产装置、了解生产工艺流程与参数、多岗位实时动态交互操作、开停车操作、内操与外操、虚拟生产过程反馈跟踪考核等多项实训功能。实训操作界面简明清晰、易于操作。虚拟生产过程的数据实时反馈,现象模拟逼真,并可用来自动评价虚拟实训效果,便于学生自主学习生产过程,是一款实用的三维情景交互式虚拟仿真化工生产实训软件。


图1 情景交互式三维虚拟仿真乙酸乙酯生产装置

    三、功能简介

本软件针对化工生产实训项目中学生需掌握的重难点,设计开发了:认识设备、熟悉流程、生产流程模拟操作、工艺条件控制、DCS监控界面、开停车操作、内操与外操、单人及双人协同操作、考核与评价等功能模块。    

    设备认识

根据实际生产车间设备,本软件按1:1比例真实还原了整个工艺的所有设备模型,包括:泵10个(包括真空泵、离心泵、计量齿轮泵),填料塔,筛板塔,夹套反应釜2个,换热器6个(包括套管式、列管式、蛇管式、板式),罐15个(包括卧式、立式,且带有液位计),及271个阀门(包括球阀、截止阀、闸阀、针型阀、电动阀)。

整套模型严谨规范,同时兼具美观舒适,学生可以通过鼠标键盘操纵虚拟人物在虚拟工厂中漫游,操作方式简单易上手,还可登上楼梯进行相应的设备参观认识。鼠标滑在阀门上,将有相应的名称及开度提示。同时还可近距离观察实际成产中不能看到的设备的内部构造,对设备的认知更形象化。顺着各个管路及配套的工艺流程图即可清晰的了解整个操作工艺的过程及各个设备的功能和使用方法。

2 阀门细节图

3 阀门的名称及提示窗口显示

4 筛板塔设备的塔板内部排列(能否半剖或半透明)

    生产流程操作

乙酸乙酯生产的全部化工过程包括五个岗位,分别为公共系统岗、酯化反应岗、中和反应岗、萃取精馏岗、萃取剂回收岗。每个岗位都包括开车前准备、开车操作、停车操作三部分。本软件以实际生产的操作实训手册为参考,科学严谨的制定了五个岗位内操和外操的操作步骤。学生按照软件界面右上角的步骤提示即可线性操作整个工艺流程。软件中的所有阀门均可通过滚动鼠标滑轮来开关操作。同时有液位变化,倾倒液体,压力表指针变化等实验效果。相应的步骤将会有提示球进行提示,学生可初次使用是借助提示球的帮助操作软件,而熟练了之后即可将其隐藏。操作正确的话将会在左下角加分,给予学生信心和动力。在按步骤操作完后,学生将对整个工艺有个清晰的认识和熟练的掌握,之后到实际的生产中也能得心应手。

5右上角为操作步骤的提示框,可点击红色箭头查看上一步或者下一步的操作步骤。图中央红色方块为提示球,指示当前需操作的阀门。

5 步骤提示示意图(图中央红色转动的方块)

6 操作阀门对话框(图中黑色字体不明显、字太小)


    反应条件控制

工艺流程中最重要的即是反应条件的操控,如进料量,反应温度,反应压力,反应转化率等等。本软件借助AspenChemCAD等软件模拟酯化反应,并将模拟数据与实际操作数据相结合,构建了反应的数学模型。借助此数学模型,学生可以动态控制反应的各项参数,如温度、压力、冷却水流量等等。不同的操作条件将改变数学模型中的不同参数,从而生产的产品量也不相同,真正做到一人一个实验结果。在不断的实践中,学生可以探索最优条件,进而最大化的达到对整个化工流程反应过程有深入认识的目的。各项反应参数将显示在DCS界面上,后续会仔细介绍。下图右上角为进料过程中乙酸进料量的显示。

7 乙酸进料量显示(图中蓝色实时变化的液位计)

    DCS监控界面

本软件设计了DCS操控界面,可在中控室中进行控制。DCS图上可显示各罐的储液量,反应器的温度压力,冷却水流量,正在走料的管路。我们将DCS图与流程的操作步骤有机结合,操作到相应步骤时,可自由打开DCS图观看平面的流程进度,使学生对流程认识更清晰直观,同时也熟悉DCS的操作方式。

8 进料时的酯化反应岗DCS


9 从中控室角度看设备  

    双人协同操作

生产中有时需要多人协同操作,分别担任内操和外操的任务,共同完成生产过程。本软件结合Virtools Server,初次成功的实现了双人的同步操作。由两名学生操作两台电脑,每人选择一个角色,作为内操员或者外操员,每名学生均可在自己的电脑中同步看到对方的任何操作。通过这种方式,既能让学生了解内外操的任务责任的不同,也能锻炼学生的协作能力。

10 内操员外操员共同工作