基于Virtools的氨合成塔模拟及虚拟系统构建

肖 武， 吴静谧， 冉慧丽， 张永策， 李 焕， 毛金群， 贺高红

(大连理工大学化工与环境生命学部，辽宁大连116023)

0 引言

随着计算机技术、网络技术、立体显示技术、人工智能等高新技术的发展，虚拟现实技术得到了快速发展，并广泛运用于工业仿真、技能训练、教育等各个领域。虚拟实验室［1-4］是虚拟现实技术在教育领域的重要应用，与传统的实验室相比有着快速高效、功能全、低成本、分布式等特点［3，5］，将会成为未来实验教学的重要方式。

固定床反应器［6］是一种常用的化学反应器，具有结构简单、操作方便、催化剂机械磨损小、选择性高等特点，广泛应用于化学工业及石油化学工业。由于化学反应复杂，反应物物性和反应放热差异较大等因素，在工程应用中需要采用不同的固定床反应器模型。建立能够准确描述化工生产过程特性的数学模型，对实现反应器合理的放大设计和优化操作有着重要的意义。

本文采用一维理想拟均相模型对氨合成塔进行模拟，基于Virtools软件［7-13］进行模拟程序开发，以获得氨合成塔各床高下的氨气摩尔分数、催化床层温度、冷管温度等参数。在3ds Max中对氨合成塔系统进行三维建模，并将模型导入Virtools。在Virtools中通过编译交互脚本实现数据交互和三维交互，构建三维情景化交互的氨合成塔虚拟系统，可用于化工实验教学与操作培训。

1 氨合成塔模拟

合成氨反应器常称之为氨合成塔［14］，按照内冷自热式三套管氨合成反应器探讨一维拟均相数学模型。内冷自热式三套管氨合成反应器由耐压外筒及内件催化剂筐组成。催化剂筐内装有铁系催化剂，筐下方设置有外置换热器。参数源自文献［14］，如表1、2所示。

表1 氨合成塔参数

表2 氨合成塔催化剂参数

通过Virtools软件中的VSL语言编写程序得到氨合成塔的模拟结果，并与原文献［14］进行对比，如表3所示。

结果表明:模拟数据中，除了tb的第4～7组数据误差超过10%以外，其它模拟数据与文献数据误差均在10%以内。分析造成误差较大的原因为本文在数学模型的求解方法较文献中进行了简化，同时参数的选定也与文献不尽相同，如:等压摩尔热熔，传热系数等，但数据总体趋势与文献中保持一致。模拟数据具有一定的参考价值与利用价值，可用于虚拟系统仿真数据。

表3 氨合成塔模拟数据及文献数据对比表

2 氨合成塔虚拟系统模型构建

2．1模型构建流程简述

三维模型的建立是后续虚拟交互设计的基础，模型的质量直接关系到最终作品的质量。图1所示为模型构建的流程图。

图1 模型构建流程图

氨合成反应过程中包含的设备有原料气储罐、压缩机、氨合成塔、分离装置、冷却装置、泵、液氨储罐等。在充分了解真实设备，包括外观、尺寸、结构等依据后，按照实物的属性进行建模，再按照工艺流程图来连接各种设备模型。实验设备、实验场景及外部环境的模型建立后需要优化整合，最后将3D文件以nmo格式输出，三维模型继续在Virtools中，进行交互设计。

2．2 虚拟设备构建

虚拟设备的构建包括1个原料气储罐，1个压缩机，1个换热器，1个合成氨塔，1个冷却塔(示意)，1个分离塔(示意)，1个泵，1个液氨储罐，楼梯及操作平台的三维造型(多边形、三角形和顶点)及其外观处理(纹理、材质、光照、表面反射系数等)。

3ds Max是美国Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件［15］，为虚拟氨合成塔设备几何模型的建立提供了良好的技术支持。在3ds Max通过旋转建模［16-17］建立塔和储罐的模型，通过loft放样建模建立管道的模型，通过组合建模法建立泵、压缩机等比较复杂设备的模型。Virtools平台中，采用Normal Mapping和Shader等次世代图形图像技术进行凹凸材质、半透明材质以及反射材质的制作，使模型具有与真实物体相同的凹凸、明暗效果和透明及反射特性。虚拟设备经过贴图后仿真度提高，三维效果逼真，如图2～5所示。

2．3 虚拟角色和虚拟工厂环境建模

采用Polygon建模建立虚拟角色的表面模型，再使用Unwrap UVW修改器展开脸部UV坐标图像，在Photoshop中绘制人物的脸部和衣物，然后再回到3ds Max中进行贴图。构建的人物模型如图6所示。

图2 压缩机效果图

图3 换热器效果图

图4 原料气储罐效果图

图5 楼梯效果图

图6 虚拟角色模型

在实地考察的基础上通过平面设计与绘图，构建了逼真的工厂环境，包括:天空、草地、路面等。在整个系统三维模型的构建过程中要分清主次，全面考虑实际效果，即在系统承受的范围内对生产设备采取细节描述，而对虚拟角色和辅助场景设计降低到能够接受的程度即可。构建的氨合成塔虚拟系统如图7所示。

图7 氨合成塔虚拟系统

3 氨合成塔虚拟系统交互功能实现

3．1 氨合成塔虚拟系统数据交互

氨合成反应工段是氨合成生产过程中十分重要的部分，是氨合成的核心。为了严格、准确地控制氨合成工艺参数，提高生产质量和过程的自动化程度，在工厂通常对该过程采用DCS［18］进行控制。

参考工厂DCS图，设计本研究氨合成反应工段的简要流程，包括一个原料气储罐V301，一个流量控制阀，一个压缩机，一个换热器E301(冷却水为冷却介质)，一个合成氨塔R301。

在Flash软件中绘制氨合成塔反应工段的DCS图，如图8所示。图中可显示氨分解基气体流量FR301，反应压力 P301，催化床层温度 Tb301、Tb302、Tb303、Tb304、Tb305、Tb306、Ta303、Ta304、Ta305、Ta306。制图完成后以png格式输出。

图8 Flash软件绘制的DCS控制图

选择模拟结果中第1、3、6、10、13、16 组的 tb、ta作为 DCS 控制图中显示的 Tb1、Tb2、Ta2、Tb3、Ta3、Tb4、Ta4、Tb5、Ta5、Tb6、Ta6，在主程序最后增加相应程序，为每个需要显示数据的位置添加二维帧，编写BB模块。程序运行后，数据显示在DCS图中，如图9所示。

3．2 氨合成塔虚拟系统三维交互

为了使构建的氨合成塔虚拟系统操作更真实，本文通过虚拟系统进行界面设计，包括虚拟系统名称，登陆系统以及天气显示，界面设计如图10所示。

图9 合成氨工段DCS数据显示图

图10 氨合成塔虚拟系统界面

设置运动控制之前将所有导出的动作赋予角色，并通过BB模块来控制角色的动作。设置虚拟场景中障碍物的属性，并对虚拟角色添加相应的 Building Blocks进行法阵碰撞设置。通过编辑BB模块，实现点击氨合成塔显示DCS图的功能。

通过Virtools构建的氨合成塔虚拟系统，实现了登录氨合成系统，虚拟角色漫游，避开障碍物，走上楼梯，进入二层操作台，通过点击氨合成塔，显示DCS图。操作后如图11所示。构建的氨合成塔虚拟系统沉浸感强、功能完善、交互操作逼真。

图11 虚拟角色操作后DCS显示的效果图

4 结论

本文基于Virtools软件对氨合成塔进行了模拟，并构建了氨合成塔虚拟实验室:

(1)在Virtools中利用VSL语言对氨合成塔进行编程模拟，得到了氨合成塔内的温度分布，且数据误差在允许范围内，可用于虚拟系统数据交互。

(2)在3ds Max中完成了对氨合成塔系统的模型构建。

(3)在Virtools中实现了虚拟系统的交互功能，包括:数据交互，虚拟角色漫游功能以及操作功能等，即:登陆系统后，虚拟角色可以完成在系统中行走，且不穿越装置，上楼梯到达操作平台，点击氨合成塔，屏幕上显示氨合成塔DCS图。

本文所开发的氨合成塔虚拟系统沉浸感强，操作简便，交互逼真，突破了实验室在时间、空间和地域方面的限制，可用于化工实验教学与操作培训。

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