废轮胎热转化制生物燃料工艺3D虚拟仿真实验平台建设和应用

欧阳少波，王 萍，熊道陵，张彩霞，罗序燕，邹来禧，陈火平，杨 凯

（1.江西理工大学 材料冶金化学学部，江西 赣州 341000；2.赣州市阳明小学，江西 赣州 341000）

0 引 言

随着城镇化建设不断加快，城市发展水平得到极大的提高，也带来了大量的城市有机废弃物，为响应国家的环保政策及适应《中国制造2025》指导方针，对于废弃物有效处理是目前所面临的一项亟待解决的问题[1-6]。江西理工大学某学者提出一种城市有机废弃物资源化利用的新思路，利用3D仿真技术再现工业化废轮胎热转化制生物燃料生产工艺。由于本项目为工业化生产装置，无法在实验教学中开设实物教学实验，而废轮胎热转化制备生物燃料工艺涵盖物理化学、有机化学、化工原理、化学反应工程、化工热力学等多学科中流体流动与输送、传热、化学反应、过滤、吸收、精馏等多种化工单元操作，以及温度、压强、流量等热工参数的测量与控制方法。因此，通过虚拟仿真平台的建设，采用“虚实结合”理念[7-10]，建立《1万吨/年废轮胎热转化制生物燃料工艺3D虚拟仿真实验》项目对于学生综合掌握化学工艺、化工生产技术、基本化工单元操作及设备，培养安全生产意识具有重要意义[11-13]。

1 仿真实验实验原理

1.1 反应原理

以典型的城市有机废弃物—废轮胎为原料，利用电磁加热真空热解技术，联产高品质焦油、煤气及半焦等生物燃料，涉及热解、脱硫、净化、干燥、静电捕集等工艺，对于热解气经冷却、精馏、吸收、净化、离心等工序制备汽油、柴油、重油及硫磺等产品。该工业化技术，工艺复杂，操作繁琐，全程由DCS自动化控制系统完成，完全还原工业化生产。对提高化学化工相关专业的学生的实操经验、工业化生产工艺的认识具有十分重要的意义。

1.2 生产工艺流程

生产工艺流程如图1所示，包括热解、精馏、脱硫、气液分离等一些列过程。

1.3 主要知识点

（1）工艺类：热解反应、脱硫反应、半焦性质、煤气性质、焦油性质等。

（2）设备类：电磁加热器、热解反应器、旋风分离器、气液分离器、急冷精馏塔、静电捕集器、吸收塔、再生槽、离心泵、离心机、空气压缩机、振动器、压力容器、螺杆进料器、引风机、振动给料机等。

（3）仪表类：调节阀结构、调节阀原理、前馈调节、反馈调节、温度调节、压力调节、液位调节等。

（4）公用工程类：废液、废气、废固处理、蒸汽分类、用途及管路走向和排布等。

图1 废轮胎热转化制生物燃料流程

2 仿真实验软件环境

2.1 废轮胎热解工艺3D虚拟仿真实验软件

结合大规模在线实验室（Massive Open Online Labs,MoolsNet）推出的一款基于U3D技术的移动化学虚拟实验室，采用三维模型构建场景及物体，物体多边形面数（poly）控制不大于1万面，文件小于60 MB，支持各种分辨率及型号的手机（安卓、苹果手机），支持iPad等移动端设备，并采用材质贴图（烘焙、法线）及高级着色技术（Shader、HLSL）。

2.2 智能评分系统

根据学员的操作结果自动评分，以检测学员对工艺的掌握和熟悉程度。

2.3 电脑及配套设施或网络移动端设备

废轮胎热解工艺3D虚拟仿真实验软件的操作，只需下载相关软件包或APP，可用电脑或网络移动端设备（如：手机或平板电脑）进行操作，可实现学生交互性操作。

3 实验教学方法

3.1 教学使用目的

（1）生产操作仿真与设备仿真相结合：通过教师讲解或学生自学设备认识模块，了解生产过程中主要设备结构和工作原理。通过生产操作仿真学习，掌握热解和产物分离原理、设备标准操作规程、车间岗位生产基本流程、位点控制、连锁设计以及安全生产等注意事项。

（2）设备仿真与工艺仿真相结合：传授学生设备结构设计和生产工艺中典型的工艺模块组单元设备运行原理、物料流向和温度压力控制等生产设备和生产工艺的基本知识。

（3）厂区及车间漫游与生产操作仿真相结合：培养学生认识车间生产工艺流程和单元操作在车间整体生产过程中的相互配合的基本逻辑与平行关系，使学生从单元操作到整体车间生产运行有一个清晰的感性认识。

3.2 教学实施过程

（1）“1万吨/年废轮胎热解工艺3D虚拟仿真实验”将移动床反应与精馏吸收分离技术及干燥净化技术相结合，利用VR技术完全呈现出实际的工业生产过程。使学生能够深刻地认识到所学专业知识（如：《基础化学》《化工原理》《化学反应工程》《分离工程》《化工热力学》《环境工程》等）之间的联系及其互相促进关系。进一步使学生熟练地掌握“热解反应-分离技术-三废处理”的原理、工艺设计及厂区设置原则，以及相关设备与操作流程。本实验项目采用混合式教学模式，依托网络平台，教师、学生在线上、线下完成相应任务，具体任务见表1所列，线上教学和线下教学内容如图2所示。

表1 教师和学生完成任务情况

图2 仿真实验教学内容

（2）开展“五位一体”式的生产实习教学模式，通过线上、线下相结合的学习模式，实施计算机仿真学习、化工积木模型仿真学习、工厂实习、Aspen过程模拟优化及手机移动端仿真学习的“五位一体”生产实习教学体系。可有效提高学生知识综合应用能力，以及发现问题、分析问题、解决问题和独立操作的综合创新能力。

3.3 教学实施效果

与真实工业化生产相同，学生获取了准确、完整的实验数据。通过虚拟仿真教学，使学生快速、直观地理解相关工艺流程及原理，更能调动学习的积极性和学习热情。通过本项目的实施，可以达到如下有益效果：

（1）通过仿真教学，学生强化了所学专业知识。本实验项目基于3D软件及安全知识进行学习与训练，设置了与知识点相关的问题，学生以闯关的形式进行学习，将理论知识与实践进行很好的融合。

（2）通过仿真教学，提高了学生的团队意识和合作精神。仿真工厂的教学通过采用班组合作的方式，不仅仅训练学生的思维能力和动手能力，同时也提高了学生的团队意识，并建立学生及从业人员的安全防范意识和工程素养。

（3）通过仿真教学，延伸了教学课时，拓展了教学空间。项目通过网络进行远程学习，受场地、时间、人员的安排限制，可通过反复学习深刻认识和理解化工生产的基本原理和理论知识，熟悉掌握化工生产过程的操作方法和流程，激发学生的学习兴趣和理论实践水平。

3.4 实验方法描述

本项目基于动态过程仿真软件运行平台开发，利用虚拟现实技术，以3D形式呈现废轮胎热解制生物燃料化工厂环境和操作过程，最终构建了“3D虚拟现场生产车间+中控站+厂区辅助设施”的一体化生产厂区。学生通过网络在线学习操作，要求学生先进行工艺虚拟现实认知实习，通过自主漫游及NPC引导熟悉工厂生产的主要工艺流程，为工艺虚拟现实生产实习打下良好基础。

（1）学生自由操作仿真软件，熟悉废轮胎热解工艺及相关知识点，并掌握每个设备的结构及操作规程，使学员对工业设备有一个更直观的认识，全面了解设备的工作运行过程，并利用化工积木自行拼接学习。介绍有机废弃物处理的基本知识，包括反应机理、主要用途、工艺流程等，使学员对工艺生产有整体的认识，为学员之后的工作学习打下基础。

（2）学生按照流程引导，学习反应原理、工艺流程等工艺知识；学习移动床反应器、离心泵、压缩机等设备知识，如图3所示；以及学习硫化氢、硫磺、焦油等危化品的使用和急救等安全知识。通过对工厂安全知识、应急处理和急救方法的学习，让学员了解工厂生产中应注意哪些问题，遇到危险应如何有效自救。

图3 部分设备3D模拟图

（3）认真学习3D厂区、车间布局和管道排布，加深对工艺流程的印象。根据操作指示，进行3D界面现场实操。通过调整及观察系统各参数的变化及反馈，实时进行参数调节，掌握化工过程的变化特点，了解公用工程的走向及三废的处理等。通过漫游在虚拟现实场景中讲解工艺全流程及各个分工段的工艺流程，并以鸟瞰的方式了解工厂的整体布局、设备分布等，清晰地看到厂区物料走向，如图4所示。

图4 厂区整体布局图

4 实验教学项目特色

4.1 实验方案设计思路

（1）本实验根据“虚实结合”的理念，以学生为重心，利用手机等移动终端设备，将工业化生产工艺从实际生产搬到课堂，激发学生学习的积极性，使学生可以更充分更灵活地利用课余时间学习，同时可以利用手机或其他移动终端设备实现随时随地的操作。

（2）实验响应国家“节能减排”的号召，利用U3D技术的移动化学虚拟实验室，全方位高度沉浸感的自然环境、实验室环境，实验室场景设计与布局参考真实实验室环境并1∶1还原。在进入实验室实体操作前，学生可利用手机或计算机预先实现仿真操作，从而为进入实验室操作节省更多的能耗、原材料及操作时间。将无法在实验室进行的工业化设备操作，引入到实验室学习，使学生通过虚拟仿真实验即能掌握工业化生产设备的操作。

（3）利用网络化教学，实现工业化生产与理论教学合理衔接。将科技创新、实验教学改革成果和国家级科研成果融入实验教学内容，使实验教学内容更加丰富，涵盖更广泛。通过改革教材和讲义，产生显著的教学改革成果。

4.2 教学方法创新

（1）依托学科优势，将科研成果引入实验教学，构建特色鲜明的教学体系。

（2）以学生为中心，推行自主式、合作式、研究式学习，培养学生创新创造力。

（3）借助数字化信息化技术，构建开放式仿真实验平台，实现教学手段多元化。

（4）引入竞赛机制，改革评价考核方式，激发学生科研兴趣和学习积极性。

4.3 评价体系创新

本文还建立了一套完善的评价体系，主要以接待学生次数和人数作为重要的评价依据，确保以学生为本的基本原则。对实验技术人员从承担实验辅助人时数、管理仪器设备台件价值数、仪器设备完好率、出勤情况、承担公共服务等五个方面进行考核。学校教学督导组对任课教师教学情况进行巡查和不定期抽检，深入实验室听课观摩，了解实验教学具体情况，并及时向任课教师反馈意见。通过征集教学情况调查表、网上反馈和教学检查等多种形式，听取各方面意见，及时了解实验教学中存在的问题，有针对性地进行整改并对教师进行考评。

4.4 对传统教学的延伸与拓展

与传统教学方法相比，虚拟仿真实验在教学理念和教学方法上，更深入更便捷更切合学生的学习和生活。

（1）实验教学指导思想，以学生为主体，注重应用创新。实验室坚持以学生为本的理念，在实验项目设置、实验室开放管理等方面进行针对性优化，鼓励学生积极融入教师的科研活动，以强化学生的基本实验操作技能，培养创新意识，提升综合应用创新能力[14-15]。

（2）实验室建设和实验教学改革。通过仿真教学改革，以“情景式、网络交互式”教学方法，实现抽象理论知识直观化、生动化、形象化。

5 结 语

《1万吨/年废轮胎热转化制生物燃料工艺3D虚拟仿真实验》项目平台的建立，丰富和发展了教学内容和方法，体现了虚实结合、能实不虚的原则，将工业化生产通过仿真手段在线还原，在教学理念和教学方法上更深入更便捷更切合学生的学习和生活，有利于化工专业学生将理论与实践相结合，夯实理论基础，提高综合素质，培养“为人诚实、基础扎实、工作踏实”的化工专业技术人才。