廢輪胎熱轉化制生物燃料工藝3D虛擬仿真實驗平臺建設和應用

歐陽少波，王 萍，熊道陵，張彩霞，羅序燕，鄒來禧，陳火平，楊 凱

（1.江西理工大學 材料冶金化學學部，江西 贛州 341000；2.贛州市陽明小學，江西 贛州 341000）

0 引 言

隨著城鎮化建設不斷加快，城市發展水平得到極大的提高，也帶來了大量的城市有機廢棄物，為響應國家的環保政策及適應《中國制造2025》指導方針，對于廢棄物有效處理是目前所面臨的一項亟待解決的問題[1-6]。江西理工大學某學者提出一種城市有機廢棄物資源化利用的新思路，利用3D仿真技術再現工業化廢輪胎熱轉化制生物燃料生產工藝。由于本項目為工業化生產裝置，無法在實驗教學中開設實物教學實驗，而廢輪胎熱轉化制備生物燃料工藝涵蓋物理化學、有機化學、化工原理、化學反應工程、化工熱力學等多學科中流體流動與輸送、傳熱、化學反應、過濾、吸收、精餾等多種化工單元操作，以及溫度、壓強、流量等熱工參數的測量與控制方法。因此，通過虛擬仿真平臺的建設，采用“虛實結合”理念[7-10]，建立《1萬噸/年廢輪胎熱轉化制生物燃料工藝3D虛擬仿真實驗》項目對于學生綜合掌握化學工藝、化工生產技術、基本化工單元操作及設備，培養安全生產意識具有重要意義[11-13]。

1 仿真實驗實驗原理

1.1 反應原理

以典型的城市有機廢棄物—廢輪胎為原料，利用電磁加熱真空熱解技術，聯產高品質焦油、煤氣及半焦等生物燃料，涉及熱解、脫硫、凈化、干燥、靜電捕集等工藝，對于熱解氣經冷卻、精餾、吸收、凈化、離心等工序制備汽油、柴油、重油及硫磺等產品。該工業化技術，工藝復雜，操作繁瑣，全程由DCS自動化控制系統完成，完全還原工業化生產。對提高化學化工相關專業的學生的實操經驗、工業化生產工藝的認識具有十分重要的意義。

1.2 生產工藝流程

生產工藝流程如圖1所示，包括熱解、精餾、脫硫、氣液分離等一些列過程。

1.3 主要知識點

（1）工藝類：熱解反應、脫硫反應、半焦性質、煤氣性質、焦油性質等。

（2）設備類：電磁加熱器、熱解反應器、旋風分離器、氣液分離器、急冷精餾塔、靜電捕集器、吸收塔、再生槽、離心泵、離心機、空氣壓縮機、振動器、壓力容器、螺桿進料器、引風機、振動給料機等。

（3）儀表類：調節閥結構、調節閥原理、前饋調節、反饋調節、溫度調節、壓力調節、液位調節等。

（4）公用工程類：廢液、廢氣、廢固處理、蒸汽分類、用途及管路走向和排布等。

圖1 廢輪胎熱轉化制生物燃料流程

2 仿真實驗軟件環境

2.1 廢輪胎熱解工藝3D虛擬仿真實驗軟件

結合大規模在線實驗室（Massive Open Online Labs,MoolsNet）推出的一款基于U3D技術的移動化學虛擬實驗室，采用三維模型構建場景及物體，物體多邊形面數（poly）控制不大于1萬面，文件小于60 MB，支持各種分辨率及型號的手機（安卓、蘋果手機），支持iPad等移動端設備，并采用材質貼圖（烘焙、法線）及高級著色技術（Shader、HLSL）。

2.2 智能評分系統

根據學員的操作結果自動評分，以檢測學員對工藝的掌握和熟悉程度。

2.3 電腦及配套設施或網絡移動端設備

廢輪胎熱解工藝3D虛擬仿真實驗軟件的操作，只需下載相關軟件包或APP，可用電腦或網絡移動端設備（如：手機或平板電腦）進行操作，可實現學生交互性操作。

3 實驗教學方法

3.1 教學使用目的

（1）生產操作仿真與設備仿真相結合：通過教師講解或學生自學設備認識模塊，了解生產過程中主要設備結構和工作原理。通過生產操作仿真學習，掌握熱解和產物分離原理、設備標準操作規程、車間崗位生產基本流程、位點控制、連鎖設計以及安全生產等注意事項。

（2）設備仿真與工藝仿真相結合：傳授學生設備結構設計和生產工藝中典型的工藝模塊組單元設備運行原理、物料流向和溫度壓力控制等生產設備和生產工藝的基本知識。

（3）廠區及車間漫游與生產操作仿真相結合：培養學生認識車間生產工藝流程和單元操作在車間整體生產過程中的相互配合的基本邏輯與平行關系，使學生從單元操作到整體車間生產運行有一個清晰的感性認識。

3.2 教學實施過程

（1）“1萬噸/年廢輪胎熱解工藝3D虛擬仿真實驗”將移動床反應與精餾吸收分離技術及干燥凈化技術相結合，利用VR技術完全呈現出實際的工業生產過程。使學生能夠深刻地認識到所學專業知識（如：《基礎化學》《化工原理》《化學反應工程》《分離工程》《化工熱力學》《環境工程》等）之間的聯系及其互相促進關系。進一步使學生熟練地掌握“熱解反應-分離技術-三廢處理”的原理、工藝設計及廠區設置原則，以及相關設備與操作流程。本實驗項目采用混合式教學模式，依托網絡平臺，教師、學生在線上、線下完成相應任務，具體任務見表1所列，線上教學和線下教學內容如圖2所示。

表1 教師和學生完成任務情況

圖2 仿真實驗教學內容

（2）開展“五位一體”式的生產實習教學模式，通過線上、線下相結合的學習模式，實施計算機仿真學習、化工積木模型仿真學習、工廠實習、Aspen過程模擬優化及手機移動端仿真學習的“五位一體”生產實習教學體系。可有效提高學生知識綜合應用能力，以及發現問題、分析問題、解決問題和獨立操作的綜合創新能力。

3.3 教學實施效果

與真實工業化生產相同，學生獲取了準確、完整的實驗數據。通過虛擬仿真教學，使學生快速、直觀地理解相關工藝流程及原理，更能調動學習的積極性和學習熱情。通過本項目的實施，可以達到如下有益效果：

（1）通過仿真教學，學生強化了所學專業知識。本實驗項目基于3D軟件及安全知識進行學習與訓練，設置了與知識點相關的問題，學生以闖關的形式進行學習，將理論知識與實踐進行很好的融合。

（2）通過仿真教學，提高了學生的團隊意識和合作精神。仿真工廠的教學通過采用班組合作的方式，不僅僅訓練學生的思維能力和動手能力，同時也提高了學生的團隊意識，并建立學生及從業人員的安全防范意識和工程素養。

（3）通過仿真教學，延伸了教學課時，拓展了教學空間。項目通過網絡進行遠程學習，受場地、時間、人員的安排限制，可通過反復學習深刻認識和理解化工生產的基本原理和理論知識，熟悉掌握化工生產過程的操作方法和流程，激發學生的學習興趣和理論實踐水平。

3.4 實驗方法描述

本項目基于動態過程仿真軟件運行平臺開發，利用虛擬現實技術，以3D形式呈現廢輪胎熱解制生物燃料化工廠環境和操作過程，最終構建了“3D虛擬現場生產車間+中控站+廠區輔助設施”的一體化生產廠區。學生通過網絡在線學習操作，要求學生先進行工藝虛擬現實認知實習，通過自主漫游及NPC引導熟悉工廠生產的主要工藝流程，為工藝虛擬現實生產實習打下良好基礎。

（1）學生自由操作仿真軟件，熟悉廢輪胎熱解工藝及相關知識點，并掌握每個設備的結構及操作規程，使學員對工業設備有一個更直觀的認識，全面了解設備的工作運行過程，并利用化工積木自行拼接學習。介紹有機廢棄物處理的基本知識，包括反應機理、主要用途、工藝流程等，使學員對工藝生產有整體的認識，為學員之后的工作學習打下基礎。

（2）學生按照流程引導，學習反應原理、工藝流程等工藝知識；學習移動床反應器、離心泵、壓縮機等設備知識，如圖3所示；以及學習硫化氫、硫磺、焦油等危化品的使用和急救等安全知識。通過對工廠安全知識、應急處理和急救方法的學習，讓學員了解工廠生產中應注意哪些問題，遇到危險應如何有效自救。

圖3 部分設備3D模擬圖

（3）認真學習3D廠區、車間布局和管道排布，加深對工藝流程的印象。根據操作指示，進行3D界面現場實操。通過調整及觀察系統各參數的變化及反饋，實時進行參數調節，掌握化工過程的變化特點，了解公用工程的走向及三廢的處理等。通過漫游在虛擬現實場景中講解工藝全流程及各個分工段的工藝流程，并以鳥瞰的方式了解工廠的整體布局、設備分布等，清晰地看到廠區物料走向，如圖4所示。

圖4 廠區整體布局圖

4 實驗教學項目特色

4.1 實驗方案設計思路

（1）本實驗根據“虛實結合”的理念，以學生為重心，利用手機等移動終端設備，將工業化生產工藝從實際生產搬到課堂，激發學生學習的積極性，使學生可以更充分更靈活地利用課余時間學習，同時可以利用手機或其他移動終端設備實現隨時隨地的操作。

（2）實驗響應國家“節能減排”的號召，利用U3D技術的移動化學虛擬實驗室，全方位高度沉浸感的自然環境、實驗室環境，實驗室場景設計與布局參考真實實驗室環境并1∶1還原。在進入實驗室實體操作前，學生可利用手機或計算機預先實現仿真操作，從而為進入實驗室操作節省更多的能耗、原材料及操作時間。將無法在實驗室進行的工業化設備操作，引入到實驗室學習，使學生通過虛擬仿真實驗即能掌握工業化生產設備的操作。

（3）利用網絡化教學，實現工業化生產與理論教學合理銜接。將科技創新、實驗教學改革成果和國家級科研成果融入實驗教學內容，使實驗教學內容更加豐富，涵蓋更廣泛。通過改革教材和講義，產生顯著的教學改革成果。

4.2 教學方法創新

（1）依托學科優勢，將科研成果引入實驗教學，構建特色鮮明的教學體系。

（2）以學生為中心，推行自主式、合作式、研究式學習，培養學生創新創造力。

（3）借助數字化信息化技術，構建開放式仿真實驗平臺，實現教學手段多元化。

（4）引入競賽機制，改革評價考核方式，激發學生科研興趣和學習積極性。

4.3 評價體系創新

本文還建立了一套完善的評價體系，主要以接待學生次數和人數作為重要的評價依據，確保以學生為本的基本原則。對實驗技術人員從承擔實驗輔助人時數、管理儀器設備臺件價值數、儀器設備完好率、出勤情況、承擔公共服務等五個方面進行考核。學校教學督導組對任課教師教學情況進行巡查和不定期抽檢，深入實驗室聽課觀摩，了解實驗教學具體情況，并及時向任課教師反饋意見。通過征集教學情況調查表、網上反饋和教學檢查等多種形式，聽取各方面意見，及時了解實驗教學中存在的問題，有針對性地進行整改并對教師進行考評。

4.4 對傳統教學的延伸與拓展

與傳統教學方法相比，虛擬仿真實驗在教學理念和教學方法上，更深入更便捷更切合學生的學習和生活。

（1）實驗教學指導思想，以學生為主體，注重應用創新。實驗室堅持以學生為本的理念，在實驗項目設置、實驗室開放管理等方面進行針對性優化，鼓勵學生積極融入教師的科研活動，以強化學生的基本實驗操作技能，培養創新意識，提升綜合應用創新能力[14-15]。

（2）實驗室建設和實驗教學改革。通過仿真教學改革，以“情景式、網絡交互式”教學方法，實現抽象理論知識直觀化、生動化、形象化。

5 結 語

《1萬噸/年廢輪胎熱轉化制生物燃料工藝3D虛擬仿真實驗》項目平臺的建立，豐富和發展了教學內容和方法，體現了虛實結合、能實不虛的原則，將工業化生產通過仿真手段在線還原，在教學理念和教學方法上更深入更便捷更切合學生的學習和生活，有利于化工專業學生將理論與實踐相結合，夯實理論基礎，提高綜合素質，培養“為人誠實、基礎扎實、工作踏實”的化工專業技術人才。