虚拟仿真在化学工程专业实训中的应用-以催化裂化开车为例

许书瑞，傅小波，钟国玉，廖文波，徐勇军，何运兵

(东莞理工学院化学工程与能源技术学院，广东 东莞 523808)

1 化学工程专业实训的现状

化学工程专业作为工程类专业，具有强应用、重操作的特点[1]。化学工程专业的学生不仅要具有扎实的理论知识，还要有很强的动手能力，能够解决实际生产过程中遇到的问题。化学工程的专业特点决定学生在学习期间必须对专业内的典型生产过程，如常减压精馏、催化裂化、煤制甲醇等中的工艺条件和设备有清晰的认知。因此，化学工程专业的学生在大三暑假或者大四上学期需在化工厂里进行2-4个星期的实习，以完成本专业学分要求。然而诸如常减压蒸馏、催化裂化和煤制甲醇的生产过程常伴有易燃、易爆、有毒等安全隐患[2]。为了避免这些安全事故的发生，如今的化工厂很少愿意接受在读本科生到工厂进行实习，老师也越来越难为批量学生找到生产实习基地。即便有部分学生能在化工厂里进行实习，但是由于相关的设备或装置正在运行，学生只能走马观花的观察一下，并不能亲自动手操作设备的运行。故学生实地参观相关化工厂面临着耗时长、效果差、安全性系列问题，很难深入理解重要化工生产过程的运行，这也极大的限制了学生的实际操作能力。

近年来，随着计算机和智能制造业的深入发展，全面面向化工生产过程的虚拟仿真软件相继出现[3-5]。化工虚拟仿真是在学生具有一定的理论和实践积累的基础上，针对危险大、毒性高、耗时长、大型训练，通过仿真系统开展具有一定综合性质的实训。化工虚拟仿真软件不仅可以逼真的还原重要生产过程还可通过VR模拟危险事故的处理[6]。学生借助虚拟仿真系统可对关键步骤进行反复操作、对危险装置进行有效防范、并积累处理安全事故的经验。总之，化工虚拟仿真成为化工专业实训的有效方式，可有效解决在化工厂实习“见不到、做不到、防不到”的弊端。

2 重质油催化裂化制备轻质油的虚拟仿真

2.1 虚拟仿真系统

近年来，北京东方仿真软件公司针对化工生产中的典型单元操作、大型或综合生产开发了具有针对性的化工仿真软件，如TDC3000系统包括了典型单元操作(精馏，吸收、换热)、重要部件(间歇反应釜、压缩机)及综合性训练(重质油的催化裂化、合成氨、煤制甲醇等)等等的仿真模拟，细到调节器、仪表、现场阀等的调节和操作[8]。东方仿真软件具有贴近真实生产操作系统的界面，具有很强的人机交互性、重复性。学生在仿真系统上可反复操作，操作过程可实时跟踪并由系统给出测评，学生在学习多项操作技能的同时，也便于老师了解掌握学生的学习情况及客观地评判。故国内高校纷纷将化工仿真软件引进课堂和实习实训。东莞理工学院作为服务地方经济性的新一批高水平理工科建设大学，为学校的省重点建设专业-化学工程专业建立了仿真实习基地。

通过《化工仿真》的实训和教学，笔者发现学生面对仿真软件呈现的复杂工艺流程和操作步骤，通常会出现手忙脚乱，无从下手的情况。此时教师应在引领学生学习过程中，应注重讲练结合，教师演示与学生自我练习结合，同时指导教师要充分调动学生的积极性，以达到较好的实训效果。下面以重质油催化裂化制备轻质油的虚拟仿真为例介绍学生实训成果。

2.2 催化裂化制备轻质油的虚拟仿真

本实训是以年产量350万吨的重油催化裂化反应再生联合装置为模型开展实训的。该模型具有很强的代表性，对于实际生产过程中有很好的指导作用。该装置主要包括五部分，分别是反应器、再生器、取热器、催化剂储罐、能量回收机组。催化裂化装置是一个高度非线性、强耦合、和不确定性的复杂系统，相应的系统启动也比较繁琐和复杂。冷态开车启动是正常开车的前提条件，保证冷态开车的正常运行才能更好的生产优质轻质油。催化裂化的冷态开车包括7个步骤：(1) 催化剂储罐装剂；(2) 反再生系统气密性试验；(3) 热工岗位准备工作; (4) 开工炉点火反再生系统升温过程; (5) 热拆大盲板赶空气；(6) 装催化剂三器流化;(7) 反应进油并调整至正常。催化裂化反应再生系统的总图如图1所示。

图1 催化裂化反应再生系统总图

Fig.1 Overview of catalytic cracking regeneration system

一个好的冷态开车状态更有利整个系统的正常启动，因此带领学生进行仿真训练时，需要对冷态开车系统进行最优化控制。最优化控制是对反再生系统中的每一个设备进行系列参数优化。每一个设备的最优化控制需在DCS控制图和现场(FIELD)图上对诸如流量大小、阀门开度、进料流量等进行调节。学生在实训时通过调节各设备相关的阀门，压力及温度，研究这些参数对设备运行情况的影响。以催化裂化工艺流程中的再生器为例，学生在练习操作时考查了主风流量，再生器阀门开度、烟机入口阀门开度等因素对再生器压力的影响，结果如图2所示。从图2可以看出，烟机入口阀门开度对再生器内压力影响较小，再生器阀门开度对其内部压力影响较为明显。从图中红色曲线的趋势可以看出，主风机流量对再生器也很显著，再生器压力随主风流量增加而增高。通过在虚拟仿真软件里对各个设备的控制调节，从而有效控制重质油催化裂化制备轻质油工艺，学生将理论知识与实践相结合，达到掌握影响工艺流程的关键参数和操作的目的。从此实训结果可以看出，仿真模拟一方面可以作为实际操作实验的预习步骤，学生只有在正确完成相应操作的仿真模拟，对小到一个阀门，一个开关的操作都熟练掌握后，才可以更好的投入到未来的化工生产过程中。

图2 阀门开度和主风流量对再生器压力的影响

3 虚拟仿真实践成效

3.1 提高了学习积极性

东方仿真软件提供具有真实沉浸感与交互性的虚拟环境，学生可通过软件里提供的虚拟场景可以对整个工艺流程小到一个阀门大到一个设备进行交互操作，像游戏一样的体验的，增加了学生的兴趣。东方仿真里有在线学习云课堂，学生通过网络共享平台，灵活调整自己的学习时间，自行模拟练习，学生的积极性得到显著提高。

3.2 提高了实践能力

通过仿真实验的模拟训练，学生对实验原理及操作过程能够清晰的认识，虚拟仿真之后再对相应训练的工艺流程进行操作，操作错误率明显下降。仿真实训系统令学生全面深刻地体验各级操作规程和装置原理，将理论知识与生产实践相结合，实现了实习与生产过程无缝对接，大大地提升了化工专业学生的动手能力。

3.3 提升了安全意识

学生通过仿真实训，对工艺流程进行详细的了解后，明白哪些过程存在易燃易爆的风险，再到现场进行参观实习，将仿真与现场结合起来，学生的安全防患意识明显得到了提升。

4 结束语

采用计算机多媒体技术对石油化工专业中复杂工艺和设备、危险变化过程进行形象化，虚拟化处理，让学生能够更加直接的进行观察、学习和操作，通过模拟仿真软件构建虚实结合的实践环节是提升化工类专业学生实践能力的明智选择。虚拟仿真技术将目前实践教学形式从一种模式改变为另外一种更优模式，这是一种技术进步，也是计算机技术发展的必然结果。