硝化工艺危险特性及安全控制虚拟仿真实验

硝化工艺危险特性及安全控制虚拟仿真实验-教学指导书

含能材料在所有的战略战术武器弹药系统中都不可或缺，是军工科研的核心领域，是提高武器弹药远程打击、高效毁伤能力，捍卫国家国防安全的基石，具有重要的战略地位。硝化工艺是制备TNT炸药等含能材料所必要的反应过程，但硝化工艺存在着燃烧、爆炸、腐蚀等众多危险，无法在实际生产、科研和教学中进行危险性探究实验。本项目依托南京理工大学“兵器科学与技术”双一流建设学科，立足“安全工程”、“特种能源技术与工程”2个国家一流本科专业，以实际炸药厂合成TNT的三段硝化工艺为蓝本，以工艺参数设计和故障应急处置为主线，设计具有自主知识产权的“硝化工艺危险特性及安全控制虚拟仿真实验”，包含“实验介绍”、“安全意识”、“安全技能”、“应急处置”、“课程思政”、“实验报告”6个模块内容，应用于安全工程和特种能源技术与工程专业本科教学，培养含能材料背景的学生的安全意识、安全技能和应急处置能力，拓展实践教学的广度和深度。图1为进入实验后的主界面，图2为实验过程示意图。图1 虚拟仿真实验主页面图2虚拟仿真实验过程示意图

实验步骤

本虚拟仿真实验的实验方法与操作步骤如下：

访问实验项目。在浏览器中输入本虚拟仿真实验项目的网址https://mool.njust.edu.cn/aqfz，可远程访问并直接在浏览器中打开本虚拟仿真实验项目，进行所有操作。

（1）实验准备：

①在谷歌浏览器或者火狐浏览器中输入本虚拟仿真实验项目的网址，进入“网页界面”，如图3所示，用户通过学习项目申报视频和引导视频了解实验目的、实验原理、实验内容及操作步骤、实验要求等。在学习过程中，如有疑问，可在线查阅文献或联系在线服务教师进行咨询。实验前，需做好充分的实验准备，以保证实验效果。

图3网页界面

②用户使用鼠标点击页面中的“开始学习”按钮，进入实验准备界面（图4），点击实验准备界面中“开始实验”按钮，进入实验系统加载界面（图5），准备进入系统开始实验。

图4实验准备界面

图5实验系统加载界面

（2）开始实验：

①加载结束后，学生进入“硝化工艺危险特性及安全控制虚拟仿真”实验中控室，如图6所示。

图6中控场景界面

②点击菜单栏实验介绍中的“特性介绍”按钮，观看背景视频，了解三硝基甲苯的安全特性及生产工艺，如图7所示。

图7特性介绍视频

③用户根据实际需求，点击“实验介绍”菜单栏中的按钮，在线学习目的、工艺原理、实验要点及学科基础等内容，以便用户进一步理解本虚拟仿真实验教学内容，如图8所示。

图8中控场景下工艺原理介绍界面

下面分别介绍“安全意识”、“实验技能”、“应急处置”、“课程思政”部分的实验步骤。

④ 安全意识

安全意识分为：安全法规、安全设计和案例分析，具体实验步骤如下：

a. 在菜单界面，点击安全意识弹出菜单中的“安全法规”按钮，进入“安全法规”知识点学习及考核（如图9所示）。以安全生产月为例，点击安全法规知识点列表中的安全生产月图标，出现安全生产月的场景及知识点，知识点学习结束，点击请答题，出现相关考核试题，学生进行在线考核，如图10所示。同样地，安全生产方针、危险品、两重点一重大、危险化工工艺、危险化学品和安全距离的知识点及考题如图11-16所示。

图9安全法规知识点列表界面

图10安全生产月知识点及考核界面

图11安全生产方针知识点及考核界面

图12危险品知识点及考核界面

图13两重点一重大知识点及考核界面

图14危险化工工艺知识点及考核界面

图15危险化学品知识点及考核界面

图16安全距离知识点及考核界面

b.完成安全法规所有知识点学习和考核后，点击安全意识菜单栏中的“安全设计”按钮，进入安全设计知识点学习及考核（如图17所示）。以内部安全距离为例：点击安全设计知识点列表中的内部安全距离图标，出现内部安全距离的场景，点击闪烁场景出现相关学习知识点，知识点学习结束，点击请答题，出现相关考核试题，学生进行在线考核，如图18所示。同样，外部安全距离、防护土堤、防雷措施、接地跨接线、防爆电器、废水处理及安全工艺中的知识点及考题如图19-25所示。

图17安全设计知识点列表

图18内部安全距离知识点及考核界面

图19外部安全距离知识点及考核界面

图20防护土堤知识点及考核界面

图21防雷措施知识点及考核界面

图22接地跨接线知识点及考核界面

图23防爆电器知识点及考核界面

图24废水处理知识点及考核界面

图25安全工艺知识点及考核界面

c.完成安全设计所有知识点学习和考核后，点击安全意识菜单栏中的“案例分析”按钮，进入案例分析知识点学习及考核（如图26所示）。以案例一为例，点击案例分析知识点列表中的案例一图标，出现案例一的场景，点击场景出现相关学习知识点，知识点学习结束，点击请答题，出现相关考核试题，学生进行在线考核，如图27所示。同样，案例二和案例三的知识点及考题如图28-29所示。

图26案例分析知识点列表界面

图27案例一知识点及考核界面

图28案例二知识点及考核界面

图29案例三知识点及考核界面

⑤安全技能

安全技能分为：参数设计和生产试车，具体实验步骤如下：

a.在菜单界面，点击安全技能弹出菜单中的“参数设计”按钮，了解参数设计对硝化工艺及其安全性的重要意义（如图30所示）。完成学习后，点击确定，进入参数设计界面（如图31所示），首先点击“查看工艺要点”（如图32所示），学习硝化一段、二段和三段常见问题，然后根据硝化一段、二段和三段输入说明（如图33-49所示），学习硝化一段、二段、三段中各工艺参数对硝化工艺的影响，并设置相应的参数，然后点击确定按钮，进行下一步操作。

图30参数设计重要性提示界面

图31参数设计界面

图32查看工艺要点界面

图33硝化一段硝酸过用率输入说明界面

图34硝化一段反应温度输入说明

图35硝化一段相比输入说明

图36硝化一段搅拌速度输入说明

图37硝化一段反应时间输入说明

图38硝化二段混酸的φ值输入说明

图39硝化二段硝化温度输入说明

图40硝化二段硝酸过用率输入说明

图41硝化二段相比输入说明

图42硝化二段搅拌速度输入说明

图43硝化二段反应时间输入说明

图44硝化三段混酸的φ值输入说明

图45硝化三段硝化温度输入说明

图46硝化三段硝酸过用率输入说明

图47硝化三段相比输入说明

图48硝化三段搅拌速度输入说明

图49硝化三段反应时间输入说明

b.完成参数设计后，点击生产试车，进入硝化监控界面，并根据闪烁提示，打开设备半透和隐藏平台及辅助管线按钮（如图50所示），点击进料反应，如图51所示，通过监控画面分别观察硝化一段、二段、三段的物料反应及颜色变化等情况。如果重要参数设计误差过大，则会出现燃烧甚至爆炸等场景（如图52所示）。实验失败后，可重新设计优化实验参数，若参数设计合理，最终显示实验成功界面（如图53所示），点击确认并上传实验报告，完成安全技能模块的操作。

图50硝化监控画面

图51硝化一段、二段和三段反应情况

图52燃烧或爆炸场景

图53实验成功界面

⑥应急处置

应急处置部分主要分为搅拌故障，温度异常，进料异常。具体实验步骤如下：

a.点击菜单栏中的应急处置按钮，如图54所示，出现搅拌故障、温度异常和进料异常三种常见的故障。首先，点击搅拌故障按钮、触发警报；然后，根据提示，点击监控屏，调取监控画面（如图55所示），可见硝化一段温度计温度迅速升高，表明釜中的物料温度异常，此时，根据提示点击DCS按钮，进入DCS操作系统画面（如图56所示），根据DCS中的处置提示，按步骤进行搅拌故障处理后，点击提交，然后根据界面提示，点击监控画面按钮，回到硝化一段监控画面，观察故障处置情况，若处置得当，则可以看到警报解除，温度计示数恢复正常（如图57所示）。

图54应急处置界面

图55硝化一段搅拌故障监控画面

图56硝化一段搅拌故障DCS操作系统界面

图57硝化一段搅拌故障排除监控画面

b.完成故障一的排除后，点击菜单栏中的应急处置按钮，然后，点击温度异常按钮、触发警报；接着根据提示，点击监控屏，调取监控画面（如图58所示），可见硝化二段温度计温度迅速升高，表明釜中的物料温度异常，此时，根据提示点击DCS按钮，进入DCS操作系统画面（如图59所示），根据DCS中的处置提示，按步骤进行搅拌故障处理后，点击提交，然后根据界面提示，点击监控画面按钮，回到硝化二段监控画面，观察故障处置情况，若处置得当，则可以看到反应物料泄放完毕，警报解除，温度计示数恢复正常（如图60所示）。

图58硝化二段温度异常故障监控画面

图59硝化二段温度异常故障DCS操作系统界面

图60硝化二段温度异常故障排除监控画面

c.完成故障二的排除后，点击菜单栏中的应急处置按钮，然后，点击进料异常按钮，触发警报，根据提示，点击监控屏，调取监控画面（如图61所示），可见硝化三段釜中反应液颜色异常，表明进料异常，此时，根据提示点击DCS按钮，进入DCS操作系统画面（如图62所示），根据DCS中的处置提示，按步骤进行进料异常故障处理后，点击提交，然后根据界面提示，点击监控画面按钮，回到硝化三段监控画面，观察故障处置情况，若处置得当，则可以看到进料正常，警报解除，釜中反应液颜色恢复正常（如图63所示）。