鹵水提鋰虛擬仿真化工實驗教學設計

諸葛福瑜， 曾 英， 于旭東， 周 堃， 曾廣勇， 王彥旭

（成都理工大學a.材料與化學化工學院；b.教務處，成都610059）

0 引 言

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”［1］“天大行動”和“北京指南”［2］，發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，

全力探索形成工程教育的中國模式。工程技術(shù)能力和實踐（實驗）應用能力培養(yǎng)是“新工科”和“卓越人才”的核心內(nèi)涵［3-4］。新工科建設背景下，傳統(tǒng)實驗教學模式難以滿足各高校專業(yè)人才培養(yǎng)的需要［5-8］。2018年，繼本科教學工作會議和全國教育大會后，教育部印發(fā)《關(guān)于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，明確大力推進虛擬仿真實驗建設［9-10］，加強實踐育人平臺建設［11］。

化工類專業(yè)實踐實驗也存在一些制約學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的因素［12-13］：校內(nèi)實踐空間不足，設備及設施投入資金高、落后于行業(yè)產(chǎn)能結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整更新節(jié)奏，材料成本高，危險性高，實驗周期長；現(xiàn)代化工廠企業(yè)內(nèi)設備自動化程度高，多數(shù)生產(chǎn)過程為全封閉式看不見摸不著，學生廠內(nèi)實習不能一線操作等。化工類虛擬仿真實驗可實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，在涉及高危或極端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目［14-15］，實現(xiàn)學生在虛擬環(huán)境中運用虛擬實驗設備完成相應的實驗內(nèi)容而達到預期的教學目標［16-17］。

我校化學工程與工藝專業(yè)對照工程教育認證標準和新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才的培養(yǎng)要求，對焦國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略和四川省“一干多支、五區(qū)協(xié)同”發(fā)展戰(zhàn)略，著眼于西部地區(qū)液體礦產(chǎn)（青藏高原鹽湖鹵水和四川盆地地下鹵水）資源的高效開發(fā)，從工程技術(shù)人才“基礎→過程→工藝→設計”培養(yǎng)途徑出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有實踐實驗教學中存在的“想做不能做，能做不愿做，只看不能做，企業(yè)不讓做，沒錢沒地做”等難題，以具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代鋰特效吸附劑生產(chǎn)工藝為背景，設計了深層地下鹵水吸附提鋰3D虛擬仿真實驗教學項目。

1 虛擬仿真實驗教學平臺建設

1.1 教學目的及要求

深層地下鹵水吸附提鋰3D虛擬仿真實驗教學項目以項目化教學的形式將化工原理、化學工藝學、鹽湖化工等多門化工類專業(yè)課程理論知識與實踐有機結(jié)合在一起，實現(xiàn)了信息技術(shù)與實驗教學的深度融合。通過集成的3D虛擬仿真實驗模塊模擬工廠現(xiàn)場，與分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）場景切換、演示工程設計、廠區(qū)規(guī)劃與漫游、設備、工藝、操作、考核系統(tǒng)等環(huán)節(jié)以及實驗過程中規(guī)范和注意事項。化工類專業(yè)學生通過虛擬與現(xiàn)實結(jié)合的學習方式，可以避免真實實驗鹵水開采過程中存在高溫高壓、硫化氫氣體泄漏等危險，深度參與設備調(diào)控、工藝優(yōu)化、生產(chǎn)控制等化工生產(chǎn)全過程，鞏固課堂上所學的基本知識。項目涉及的主要知識點見表1。

表1 鹵水吸附提鋰項目知識能力要求

1.2 平臺設計

虛擬仿真實驗教學項目工藝流程圖如圖1所示，主要包含濃縮脫硫化氫和鋰吸附提取兩個工藝工段，過程涉及深層地下鹵水開采、鹵水中硫化氫脫除、鹵水中鋰吸附、鋰脫附、吸附劑回收等多個工藝實驗環(huán)節(jié)。

圖1 深層地下鹵水吸附提鋰工藝流程

（1）硫化氫脫除工段。深層地下（約3 km）鹵水輸送至原鹵水儲罐中暫時儲存［見圖2（a）］。真空條件下使用生蒸汽將鹵水加熱后輸送至閃蒸室脫除硫化氫［見圖2（b）、（c）］。閃蒸室頂部逸出的硫化氫氣體冷凝為液體后進入儲罐；脫除硫化氫后的鹵水從閃蒸室輸送至儲罐。

圖2 硫化氫脫除工段設備圖

（2）吸附提鋰工段。脫除硫化氫后的鹵水進入鋰吸附工段進行吸附提鋰［見圖3（a）］。吸附劑通過皮帶輸送機從頂部送至吸附反應槽中，與輸送至反應槽中的鹵水進行鋰的吸附反應［見圖3（b）］。吸附反應后的物料進入離心機中進行固液分離［見圖3（c）］。分離后的吸附劑送入再生反應槽，使用稀硫酸進行脫附再生后進入離心機，固液分離后得到的硫酸鋰溶液經(jīng)過濃縮、分離、干燥后制得硫酸鋰粗產(chǎn)品。

圖3 吸附提鋰工段設備圖

1.3 教學考核

教學平臺主要包括實驗準備、虛擬實驗、實驗總結(jié)三大環(huán)節(jié)。根據(jù)實驗內(nèi)容進行學生交互性操作設計，實驗設計環(huán)環(huán)相扣，其中一步設計不合理，會對整個流程的操作產(chǎn)生影響［18］。系統(tǒng)根據(jù)交互實驗步驟自動進行實驗全過程評判考核。

（1）實驗預習準備。包括閱讀實驗手冊、觀看引導視頻，學習實驗目的、原理、方法、儀器設備以及操作步驟等。實驗預習知識點測試滿分10分，由系統(tǒng)自動評判考核，錯一個扣1分。成績低于6分為不合格，需重新學習至考核合格后，方可進入虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)。

（2）參數(shù)的控制和穩(wěn)定。該環(huán)節(jié)是化工安全生產(chǎn)的重要保障。泵的流量、反應槽的攪拌速率等控制參數(shù)［見圖4（a）］，需要學生根據(jù)所學的理論知識，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗進行選取。系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)選取的準確度計算出實驗操作得分。此外，學生需調(diào)節(jié)對應的控制參數(shù)使儲罐、閃蒸室的液位等參數(shù)達到穩(wěn)定。參數(shù)設計過程中，后臺預置程序自動進行計算，在交互操作過程中及時給出提示［見圖4（b）］。系統(tǒng)根據(jù)此類工藝參數(shù)穩(wěn)定后距設定值偏差的大小，給出自主設計部分分數(shù)。

圖4 DCS中控系統(tǒng)工藝參數(shù)選取

（3）實驗總結(jié)。系統(tǒng)自動統(tǒng)計并給出實驗準備、實驗過程兩個環(huán)節(jié)成績，實驗總結(jié)提交后由任課教師進行評分。3部分成績總和即為實驗課程總成績。考核系統(tǒng)具體考核內(nèi)容、要求及評分細則見表2。

表2 實驗考核具體內(nèi)容及要求

2 教學成果與示范推廣

我校化學工程與工藝專業(yè)擁有礦產(chǎn)資源化學四川省高校重點實驗室、國家環(huán)境保護水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復重點實驗室、四川省基礎化學實驗教學示范中心以及聯(lián)合共建硫酸鹽型鹽湖資源綜合利用青海省重點實驗室等教學和科研平臺。項目立足于專業(yè)特色，堅持利用學科優(yōu)勢，將信息化技術(shù)應用于實驗教學，建立開放式［19-20］、網(wǎng)絡化的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，服務學校教學的同時通過國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺“ilab-x實驗空間”對外免費開放，省內(nèi)外其他高校可共享該項目資源。2019年10月獲批省級示范性虛擬仿真實驗教學項目。截止2021年3月，實驗瀏覽總?cè)藬?shù)62 641人，完成實驗1 785余人次，通過率達到87.7%，評分4.9（見圖5）。

圖5 “ilab-x實驗空間”統(tǒng)計數(shù)據(jù)截圖

3 結(jié) 語

深層地下鹵水吸附提鋰3D虛擬仿真實驗教學項目將逼真的工程案例實景資源應用到實驗教學中，實驗過程以實為本、以虛補實、虛實結(jié)合、互補提高，使真實實驗教學內(nèi)容的深度與廣度得以延伸，拓寬了教學思路，豐富了教學方法和學生的學習模式，更大地激發(fā)了學生的學習興趣，有助于幫助學生理解工程、了解工廠實際，提高了學生自主學習、團隊協(xié)作、工程實踐及實驗創(chuàng)新等方面的能力。