甲醇合成与精制虚拟仿真教学系统设计与应用.pdf
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1、 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
2、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 Youf
3、u(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 t
4、eaching 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 examin
5、ation 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 engi
6、neering 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
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