卤水提锂虚拟仿真化工实验教学设计

诸葛福瑜， 曾 英， 于旭东， 周 堃， 曾广勇， 王彦旭

（成都理工大学a.材料与化学化工学院；b.教务处，成都610059）

0 引 言

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”［1］“天大行动”和“北京指南”［2］，发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，

全力探索形成工程教育的中国模式。工程技术能力和实践（实验）应用能力培养是“新工科”和“卓越人才”的核心内涵［3-4］。新工科建设背景下，传统实验教学模式难以满足各高校专业人才培养的需要［5-8］。2018年，继本科教学工作会议和全国教育大会后，教育部印发《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》，明确大力推进虚拟仿真实验建设［9-10］，加强实践育人平台建设［11］。

化工类专业实践实验也存在一些制约学生创新能力培养的因素［12-13］：校内实践空间不足，设备及设施投入资金高、落后于行业产能结构优化调整更新节奏，材料成本高，危险性高，实验周期长；现代化工厂企业内设备自动化程度高，多数生产过程为全封闭式看不见摸不着，学生厂内实习不能一线操作等。化工类虚拟仿真实验可实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，在涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目［14-15］，实现学生在虚拟环境中运用虚拟实验设备完成相应的实验内容而达到预期的教学目标［16-17］。

我校化学工程与工艺专业对照工程教育认证标准和新一轮科技革命、产业变革的卓越工程科技人才的培养要求，对焦国家西部大开发战略和四川省“一干多支、五区协同”发展战略，着眼于西部地区液体矿产（青藏高原盐湖卤水和四川盆地地下卤水）资源的高效开发，从工程技术人才“基础→过程→工艺→设计”培养途径出发，结合现有实践实验教学中存在的“想做不能做，能做不愿做，只看不能做，企业不让做，没钱没地做”等难题，以具有自主知识产权的新一代锂特效吸附剂生产工艺为背景，设计了深层地下卤水吸附提锂3D虚拟仿真实验教学项目。

1 虚拟仿真实验教学平台建设

1.1 教学目的及要求

深层地下卤水吸附提锂3D虚拟仿真实验教学项目以项目化教学的形式将化工原理、化学工艺学、盐湖化工等多门化工类专业课程理论知识与实践有机结合在一起，实现了信息技术与实验教学的深度融合。通过集成的3D虚拟仿真实验模块模拟工厂现场，与分散控制系统（Distributed Control System，DCS）场景切换、演示工程设计、厂区规划与漫游、设备、工艺、操作、考核系统等环节以及实验过程中规范和注意事项。化工类专业学生通过虚拟与现实结合的学习方式，可以避免真实实验卤水开采过程中存在高温高压、硫化氢气体泄漏等危险，深度参与设备调控、工艺优化、生产控制等化工生产全过程，巩固课堂上所学的基本知识。项目涉及的主要知识点见表1。

表1 卤水吸附提锂项目知识能力要求

1.2 平台设计

虚拟仿真实验教学项目工艺流程图如图1所示，主要包含浓缩脱硫化氢和锂吸附提取两个工艺工段，过程涉及深层地下卤水开采、卤水中硫化氢脱除、卤水中锂吸附、锂脱附、吸附剂回收等多个工艺实验环节。

图1 深层地下卤水吸附提锂工艺流程

（1）硫化氢脱除工段。深层地下（约3 km）卤水输送至原卤水储罐中暂时储存［见图2（a）］。真空条件下使用生蒸汽将卤水加热后输送至闪蒸室脱除硫化氢［见图2（b）、（c）］。闪蒸室顶部逸出的硫化氢气体冷凝为液体后进入储罐；脱除硫化氢后的卤水从闪蒸室输送至储罐。

图2 硫化氢脱除工段设备图

（2）吸附提锂工段。脱除硫化氢后的卤水进入锂吸附工段进行吸附提锂［见图3（a）］。吸附剂通过皮带输送机从顶部送至吸附反应槽中，与输送至反应槽中的卤水进行锂的吸附反应［见图3（b）］。吸附反应后的物料进入离心机中进行固液分离［见图3（c）］。分离后的吸附剂送入再生反应槽，使用稀硫酸进行脱附再生后进入离心机，固液分离后得到的硫酸锂溶液经过浓缩、分离、干燥后制得硫酸锂粗产品。

图3 吸附提锂工段设备图

1.3 教学考核

教学平台主要包括实验准备、虚拟实验、实验总结三大环节。根据实验内容进行学生交互性操作设计，实验设计环环相扣，其中一步设计不合理，会对整个流程的操作产生影响［18］。系统根据交互实验步骤自动进行实验全过程评判考核。

（1）实验预习准备。包括阅读实验手册、观看引导视频，学习实验目的、原理、方法、仪器设备以及操作步骤等。实验预习知识点测试满分10分，由系统自动评判考核，错一个扣1分。成绩低于6分为不合格，需重新学习至考核合格后，方可进入虚拟仿真实验环节。

（2）参数的控制和稳定。该环节是化工安全生产的重要保障。泵的流量、反应槽的搅拌速率等控制参数［见图4（a）］，需要学生根据所学的理论知识，结合工程实践经验进行选取。系统根据参数选取的准确度计算出实验操作得分。此外，学生需调节对应的控制参数使储罐、闪蒸室的液位等参数达到稳定。参数设计过程中，后台预置程序自动进行计算，在交互操作过程中及时给出提示［见图4（b）］。系统根据此类工艺参数稳定后距设定值偏差的大小，给出自主设计部分分数。

图4 DCS中控系统工艺参数选取

（3）实验总结。系统自动统计并给出实验准备、实验过程两个环节成绩，实验总结提交后由任课教师进行评分。3部分成绩总和即为实验课程总成绩。考核系统具体考核内容、要求及评分细则见表2。

表2 实验考核具体内容及要求

2 教学成果与示范推广

我校化学工程与工艺专业拥有矿产资源化学四川省高校重点实验室、国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室、四川省基础化学实验教学示范中心以及联合共建硫酸盐型盐湖资源综合利用青海省重点实验室等教学和科研平台。项目立足于专业特色，坚持利用学科优势，将信息化技术应用于实验教学，建立开放式［19-20］、网络化的虚拟仿真实验教学系统，服务学校教学的同时通过国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台“ilab-x实验空间”对外免费开放，省内外其他高校可共享该项目资源。2019年10月获批省级示范性虚拟仿真实验教学项目。截止2021年3月，实验浏览总人数62 641人，完成实验1 785余人次，通过率达到87.7%，评分4.9（见图5）。

图5 “ilab-x实验空间”统计数据截图

3 结 语

深层地下卤水吸附提锂3D虚拟仿真实验教学项目将逼真的工程案例实景资源应用到实验教学中，实验过程以实为本、以虚补实、虚实结合、互补提高，使真实实验教学内容的深度与广度得以延伸，拓宽了教学思路，丰富了教学方法和学生的学习模式，更大地激发了学生的学习兴趣，有助于帮助学生理解工程、了解工厂实际，提高了学生自主学习、团队协作、工程实践及实验创新等方面的能力。