化工过程与装备虚拟仿真实验教学资源建设

自2004年以来，化工过程与装备虚拟仿真实验教学中心依化工系统工程、虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，对化工过程设计与开发的各个环节进行模拟仿真，按照虚实结合、相互补充、能实不虚的原则对虚拟仿真实验教学资源进行了长期建设。

一、虚拟仿真实验教学资源的创新性、先进性、必要性和实验项目的丰富程度

经过长期建设，中心逐步形成了独具特色的“一体化、多层次、模块化、重开放”的虚拟仿真实验教学体系，如图1所示。该体系以全面提高化工专业学生的创新精神和实践能力为宗旨，重点从化工过程设计与分析方面进行建设。

图1虚拟仿真实验教学体系

一体式：是主任负责制、全校一盘棋，统一调度使用全校教学资源的管理方式。

多层次、模块化：即3个层次，5个教学模块。

第一层次：利用分子模拟技术，对微观有机化学反应历程和化工热力学参数进行虚拟仿真和分析，使学生更加深入了解反应过程，寻找反应的过渡态，计算反应动力学参数，从概念设计源头上为化工专业实验提供理论支撑。也可以更加直观地展示物质的焓、熵、吉布斯自由能的计算原理，计算出热力学参数，从而更好地将化学反应原理与后面的化工工艺设计结合起来。本层次包括化学反应历程及热力学模拟模块，主要对应化工专业的学科基础课实验，包括有机化学、物理化学、基础化学原理、化工热力学等。

第二层次：利用计算流体力学（CFD）技术，对化工单元设备中的介观微粒、气泡、液滴以及微元进行虚拟仿真，绘制出设备流场中的工艺参数（如压力、温度、组成等）的三维空间分布，优化设备型式和结构。本层次可以实现难于观察试验的可视化，如化工原理教学中换热器传热过程温度分布和流体流动的动态模拟；也精准地预测反应器、精馏塔等设备内流速、压力、温度、浓度分布，预测设备整体设计及内构件分布的合理性，强化反应流动过程，优化反应器结构，节约试验成本和设计时间；还可以耦合过程模拟和流体模拟，实现过程优化和重要设备的结构优化，以及设备内流动反应行为的可视化。本层次包括化工装备模拟与设计模块，主要对应化工专业中的专业基础课，包括化工原理、化工设计机械基础、化学反应工程等。

第三层次：利用数学方程、仿真技术、图像把化工生产过程的各个功能以及功能间的相互关系表达出来，以便了解并确定过程存在价值以及价值之间关系，对新产生的“思想”或“政策”进行经济、方便、快速的重复试验，从而构成了化工系统分析、最优化和设计的重要技术基础。同时，利用动态模拟技术和虚拟现实技术，进行工艺流程的动态响应测试、安全评价、事故训练等实践训练，为化工过程的安全操作与经济运行提供参考。本层次包括化工工艺模拟与优化、化工过程仿真、虚拟现实开发与应用三个模块，主要对应化工专业中的专业课，包括化工工艺学、分离工程、化工设计、过程系统分析与综合等。

重开放：由于打开专业壁垒，按功能块进行建设，避免重复建设，加大开放力度，使虚拟仿真实验利用率得到大幅度提高。实验教学和科研训练相结合为主线贯穿整个实验教学全过程，对化工类专业学生的综合素质培养有强烈的影响作用，对类似学科群的实验室建设和学生创新能力培养，也有一定的引导示范作用。

上述教学体系的创新性体现在中心以山东能源化工、规模化工、轻工造纸大省为主要背景，融合了化工、轻工、生物、制药和材料学科群专业内容，强化基础化学分子模拟、单元操作的流体力学模拟、工艺流程的大系统模拟，全面覆盖微观-介观-宏观的多尺度仿真模拟过程，及时反映出化工、轻工、材料、环境、制药、生物、食品等行业在工程开发、建设、管理等方面的共同需要。

先进性体现在中心资助研发了大量工程化的虚拟仿真软件，均是基于实际工业项目背景构建工艺流程模型和数值算法，充分体现了虚实结合、虚实相互补充的原则。如中心教师利用独立研发的ECSS工程化学模拟系统，成功开发了具有国际先进水平和拥有自主知识产权的MDI制造技术；利用研制的DSAS动态模拟分析系统开发了50余套炼油和化工装置的仿真软件系统，在企业员工培训和工艺改造中发挥了重要的作用。中心将这些先进的专业仿真技术融入到实验教学项目中，使广大学生在校内的虚拟实验教学环节中就可以真实地获取现场的实用操作经验。

必要性体现在化工专业培养目标达成、教学手段构建和资源共享三个方面。（1）2013年通过工程专业认证的化学工程与工艺专业，主要培养掌握化工过程及装备的基本规律和原理，能从事研发、设计工作的高级工程技术人才。上述教学体系中的三个层次全面覆盖了化工过程的分子设计、装备强化、流程分析以及工厂布置等教学环节，对学生整体把握工程设计原理、提高工程设计能力是十分必要的。（2）化工过程实验教学中心的实验设备仍侧重于工艺原理和设备操作方面，学生对计算机控制系统的软硬件结构了解不够，要通过控制系统进行大数据分析的创新实验教学还有一定的困难。中心采用软件来模拟外部设备和高级控制系统，构成虚拟集散控制系统，可以有效提高化工专业学生的创新精神和能力，并能最大程度地实现工程专业认证所要求的受益学生全覆盖。（3）化工过程实验教学中心是属于跨学科、多专业、面广量大、比较复杂的一个教学组织，承担着全校23个专业的实验教学任务，目前还存在着教学实验室面积紧张和实验设备套数不足等问题。虚拟仿真实验教学中心坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，开发和引进大量工艺与装备的虚拟仿真软件共享实验等优质教学资源，推动信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习等实验教学方法，实现校内外、山东省及更大范围内的实验教学资源共享，满足多学科专业、多学校开展虚拟仿真实验教学的需要，是提高国家级实验教学示范中心的示范辐射作用的必要举措。

实验项目的丰富程度体现在中心结合教学需求和专业特点，先后开设了“过程工程计算机应用基础”、“化工系统工程”、 “化工过程安全模拟”、“化工工艺模拟与计算”、“化工过程仿真培训”、“多媒体技术”、“虚拟现实应用技术”、“物联网行业认知”、“物联网综合实训”9门实验课程，建立了5个虚拟仿真实验教学模块，共计48个实验项目。这些实验项目具有涵盖教学阶段全面、多尺度的仿真教学手段齐全、实验教学形式多样等特点，均针对计算量大、手工计算困难、工程实用性强的化工专业问题开设，在提高学生计算动手能力、解决实际问题能力方面起到了很好的推动作用。

具体的实验项目见链接：二、针对高危险、严重污染、大型或综合、高成本、高消耗的真实实验建设虚拟仿真实验教学资源

虚拟仿真实验教学项目针对的都是高危险、严重污染的化学工艺流程。首先，化工生产过程中所使用的原材料、辅助材料、半成品和成品，绝大多数属于易燃、可燃物质，一旦泄漏，易形成爆炸性混合物发生燃烧、爆炸。而且，许多物料是高毒和剧毒物质，如苯、甲苯、氰化钠、硫化氢、氯气等，这些物料如果处置不当或发生泄漏，容易导致人员伤亡。一些物料还具有自燃、暴聚特性，如金属有机催化剂、乙烯等，发生火灾的概率较大。其次，化工生产是在高温、高压、低温、负压等条件下进行的，这种生产性质决定其工艺参数指标的控制相当严格，也十分苛刻。如乙烯生产装置的裂解炉管壁温度高达1100℃，而空气分离装置则在零下195℃的低温下进行操作。在这些苛刻条件下，任何一个小的失误就有可能导致灾难性后果。中心实验教学依托虚拟现实、多媒体、化工过程模拟等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验设备，学生在虚拟环境中开展实验，既可以很好地掌握这些高危险性工艺和设备的运行规律，同时又具有可靠、安全和经济的优点。比如，中心在化工装备模拟与设计实验教学模块中开设了毒气泄漏虚拟仿真实验（图2）。在设定毒物泄漏后，可根据风速、风向及建筑物的类型和分布状况计算泄漏在某区域内的蔓延速度、停留时间和影响范围，从而为应急指挥人员采取有效措施，确定要疏散的人群范围和时间。

图2毒气泄漏虚拟仿真实验

虚拟仿真实验教学项目针对的也都是设备规模大、复杂程度高、变量多以及闭环控制运行的化学工业流程，这些都是大型的工艺流程。这些大型的化工生产过程，从原料到产品要经过多次的化学反应（或物理处理过程）才能完成，生产过程使用的各种反应器（炉）、塔、槽、罐、压缩机、泵等都以管道相联通，从而形成了复杂和漫长的工艺生产流程。例如炼油生产的催化裂化装置，从原料到产品要经过8个复杂的加工单元；乙烯生产装置，从原料到产品要经过14个复杂的加工单元。由于化工生产过程的装置技术复杂、设备制造和安装成本高，装置资本密集，所以一次事故就会引起巨大的经济损失。如1989年10月，美国菲利浦斯石油公司得克萨斯工厂发生爆炸，财产损失高达8.12亿美元。中心针对化学工业中的典型大型工艺流程进行虚拟仿真，通过化工系统工程的系统分析与综合理论建立系统模型，让学生有机会在实验室操作这些大型工艺流程，获取与实际工厂操作人员相近的操作感受与经验，提高他们的实践能力。比如，图3为聚甲醛工艺聚合工序的虚拟仿真流程，在“化工工艺模拟与优化”实验教学模块中开始实验，该流程就包括409个各类设备，属于典型的大型工艺流程，目前在国内多家企业均有投产。

图3聚甲醛工艺虚拟仿真流程图

虚拟仿真实验教学项目针对的也都是高成本、高消耗的化学工业流程。置型工业的特点，决定了化学工业是资金密集度较高的工业。除了一次性投资很高外，由于多数化工产品的生产工艺流程较长，流动资金的占用时间也长。此外，化工生产过程往往涉及高温、高压、低温、真空以及较强的腐蚀性等苛刻条件，每年必须花费的设备维修费也常常高于其他工业。此外，能源不仅是化工生产中的动力，也是重要的原料。化学工业的能源消耗仅次于冶金工业，而耗电量则居首位。在我国，化学工业总产值占全部工业总产值的10%，而能耗却占约20%。在化工生产中，原材料费用约占产品成本的60%-70%，其中大部分原料是自然资源。所以，化学工业是高成本、高消耗的工业，开展相对应的化工专业实验和实践教学也受到资源和能源供应的约束。中心开设的化工虚拟仿真实验项目，省去了高成本、高消耗的实验原材料和能源费用，让学生在校内也能参加高成本、高消耗的实验操作，这对提高学生的实践能力是十分重要的。比如，化工过程仿真实验教学模块中精馏塔仿真，我们采取虚实结合的原则，在实验室中建设了8套100mm直径的精馏塔实际设备，同时又针对实际催化裂化装置的气体分馏塔开发了对应的虚拟仿真软件（图4）。学生去实验室进行真实实验之前，先去机房或者登录中心网站操作虚拟仿真实验设备，熟悉工艺流程和设备操作原理，这样既起到了预习实验的效果，又加深了学生对工业装置操作过程的理解。

（1）真实实验设备 （2）虚拟实验设备

图4虚实结合的精馏塔综合实验