沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯虛擬仿真實驗

沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯虛擬仿真實驗是大連理工大學建設的虛擬仿真實驗課、國家級一流本科課程。該實驗課程在實驗空間平台授課，課程負責人為王維，授課教師為魯金明、毛慶、何德民、趙宗昌等。據2021年9月實驗空間官網顯示，該課程做實驗人數641，其中優秀509人、達標35人、不達標97人，實驗通過率84.9%。

該虛擬仿真實驗課程是以具有大連理工大學自主智慧財產權的“膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝為背景，依託已有模式實驗教學裝置建設的仿真實踐教學項目。課程採用從易到難、從簡到繁、多方位拓展遞進式的教學方法，構建了3個層次共8個模組的教學內容，並藉助虛擬仿真實訓與模擬介質實驗的互動，提升學生的工程實踐能力和解決複雜工程問題能力。該項目具有較高的教學示範意義。

基本介紹

• 中文名：沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯虛擬仿真實驗
• 外文名：Simulation of Catalytic Dehydrogenation Ethylbenzene to Styrene with Zeolite membranes
• 類別：虛擬仿真實驗課、國家級一流本科課程
• 建設院校：大連理工大學
• 授課平台：實驗空間
• 課程負責人：王維
• 授課教師：魯金明、毛慶、何德民、趙宗昌、潘艷秋、吳雪梅、張艷、徐威、張守海、王世盛、周穎、王瑤、喬衛紅

課程建設

開設歷程

2018年5月30日，沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯虛擬仿真實驗課程在大連理工大學上線，同時面向社會開放。

2019年3月6日，沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯虛擬仿真實驗課程被中華人民共和國教育部認定為2018年度“國家虛擬仿真實驗教學項目”；

2020年11月24日，沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯虛擬仿真實驗課程被中華人民共和國教育部認定為首批“國家級一流本科課程（虛擬仿真實驗教學一流課程）”。

服務規劃

該虛擬仿真實驗課程確保被認定後1年內面向大連理工大學校內免費開放並提供教學服務，1年後至3年內面向高校和社會免費開放服務不少於50%，3年後免費開放的服務內容不少於30%。

第1年：面向大連理工大學化工與製藥類學生免費開放，提供教學實驗、實習等教學服務。通過教學反饋，對虛擬仿真實驗系統進行改進和完善。

第2年：探索與外校學生課程體系的對接和融合，通過線上服務獲取外校學生的反饋信息，根據學生的學習層次進行分類，在細節上做到針對不同層次、不同知識背景學生仿真實訓的持續改進。

第3年：面向社會免費開放並持續改進。引入企業專家評教，開展專家系統的深度開發，完善互動方式、實驗成績的評價體系，探索培養人才的實驗教學新模式、新機制。

第4年：在持續開放的過程中繼續拓展和提高。利用該項目開設成體系的線上課程，在全國開放使用。建設一支業務精湛、教學方式靈活、線上線下活躍的教學團隊，同時形成完善的教學評價體系。

第5年：探索高校間合作機制、校企間的合作機制。將虛擬仿真實驗系統建設經驗向其他高校推廣，探索並建立高校間化工實驗成績互認、學分轉換機制。用於企業高層次人才培養，建立“產學合作、工學結合”的校企合作機制。

“沸石膜乙苯催化脫氫制苯乙烯”是大連理工大學化工學科的優勢研究課題，具有多項自主智慧財產權。大連理工大學的項目申報優勢不僅在於其擁有該工藝工業套用的技術與基礎實驗數據，而且還方便將新的科研成果用於該虛擬仿真項目的後續開發與更新。

課程性質

課程背景

大連理工大學化工綜合實驗教學中心的實踐教學改革與水平位於中國高校的前列。該中心本著“教學與科研相結合”的原則，將眾多有潛力的科研成果轉化為實踐教學裝置，“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯綜合實驗”教學項目正是其中之一。

該實驗針對化工類專業學生在大型綜合性實驗和化工企業生產實踐實習中“看多動少”的教學難題，選擇“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝開展虛擬仿真實驗教學。該工藝集化工過程的“三傳”和“一反”為一體，有助於提升學生的工程實踐能力和解決複雜工程問題能力，具有較高的教學示範意義。然而，該過程具有“高危、高毒、易燃”等特點，當前為安全起見，在現有的實體實驗裝置上只能開展模擬介質實驗。

虛擬仿真實現了從模擬介質到真實介質的轉變。在仿真實訓中，學生以實際工藝介質來實現“乙苯脫氫制苯乙烯”的真實過程，通過控制相關參數，使仿真實驗按照理論進行反應。學生不僅能夠考察各種因素對乙苯脫氫反應產率及轉化率的影響，開可以明晰膜分離固定床反應和傳統固定床反應的差異。因此，該課程具有建設的必要性。

課程定位

該實驗依託大連理工大學具有自主智慧財產權的“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝建設，多角度採納先進的工程要素。如：1、新興膜材料——引入具有耐高溫、分離性能卓越的分子篩膜與反應過程相結合，打破反應平衡限制，大幅度提高反應產物的收率。2、新工藝——結合工業過程中兩段式絕熱反應器，將膜分離器放置於兩段反應器之間。這種設計可以順利進行工業化套用，即使膜出現問題，只需要將膜分離器短路，即可恢復原有的工藝。3、先進的減壓精餾工藝，可以在低能耗的情況下實現高沸點組分的分離。綜上可見，綜合各方面先進技術的“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝具有先進性。

該實驗“以學生為中心，以學習成果為導向”建設，問題導向明確，教學目標清晰。“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”綜合實驗將虛擬仿真實訓與模擬介質實驗相結合，集中體現了“能實不虛、以虛補實、虛實結合”的原則，對培養學生的實踐能力、創新精神和社會責任感，達成工程教育專業認證相關畢業要求具有重要意義。

該虛擬仿真實驗突破了教學時間與空間的限制，方便學生在不同時間、不同地域利用網路進行學習，有效的調動了學生的學習積極性和主動性。更為重要的是，虛擬仿真實現了將模擬介質實驗拓展到真實介質實驗，是對 “沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”線下模擬介質實驗內容的擴展與提升。

適應對象

該虛擬仿真實驗課程面向化工相關專業三年級及以上的本科、專科、高職高專學生，適用於化工與製藥類相關專業學生的專業實驗教學與生產實習實訓。

課程簡介

實驗原理

該實驗將化工過程中的“分離工程”和“反應工程”等課程相關的基本理論、基本操作以及設備結構知識貫穿於“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”反應操作的全過程。

（a）乙苯脫氫制苯乙烯的反應原理

主反應如式（1）所示，副反應如式（2）所示。若體系中富含氫氣，副反應如式（3）式（4）所示；若體系中富含水蒸氣，副反應如式（5）所示。

（b）精餾原理

精餾是利用組分在汽-液兩相中揮發度的差異進行分離。精餾操作是工業上套用最廣的液體混合物的分離操作。典型精餾設備包括精餾塔、再沸器和冷凝器等。精餾塔供汽液兩相接觸進行相際傳質；冷凝器使蒸氣得到冷凝，部分凝液作為回流液返回塔內；再沸器使液體汽化，部分蒸汽返回塔內，餘下液體作為塔底產品。

（c）膜分離原理

膜分離是藉助於膜而實現的各種分離過程。利用具有選擇透過性的膜，混合物以外界能量或化學單位差為推動力而進行分離、提純和濃縮。

（d）液-液傾析分離原理

液-液傾析分離是利用液相間的密度差異和不互溶的原理來分離液相產品。由於水和油存在密度差，利用重力沉降可實現油-水分離。

“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”仿真實驗設定的獨立知識點如圖所示。

“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯綜合實驗”知識點

該實驗課程有以下7個知識點：

化工過程的安全與環保。“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”在高溫（640℃）環境下反應，涉及有毒、易燃、易爆氣體（芳烴與氫氣），產生含有芳烴的有機廢水與廢氣。在實踐教學中要求學生清楚安全防護等級、掌握安全防護措施，同時普及我國的環保政策、廢氣廢水的處理方法，以此提高學生的安全意識與環保意識。

乙苯脫氫反應原理。乙苯脫氫反應是典型的強吸熱反應，在固定床反應器中進行。要求學生掌握固定床反應器中乙苯脫氫發生的主反應【式（1）】和副反應【式（2）】。同時，讓學生了解在氫氣存在時可能發生的副反應【式（3），式（4）】，以及在水蒸氣存在時可能發生的副反應【式（5）】。另外，要求學生理解通過膜分離去除產物中氫的這一過程對於副反應【式（3）】和【式（4）】的抑制機制。

固定床催化反應工藝。“固定床催化反應器的結構特徵”與“氣相反應物在催化劑顆粒間以及顆粒內部的傳遞機制”是這部分的核心知識點。

水烴比對反應的影響。“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”反應熱效應較大，其傳熱與控溫是該工藝固定床設計中的關鍵所在。為此，要求學生理解在反應過程中加入水蒸氣的原因,掌握水烴比調節後產物收率的變化規律。

膜分離原理與設備。要求學生掌握膜分離的基本原理、膜分離器的類型與特點。掌握耐高溫的分子篩膜對組分的篩分機制，熟悉不同組分氣體（如氫氣、甲烷、氮氣、二氧化碳等）在該該分子篩膜組件中的滲透規律。

液-液分離原理與設備。要求學生掌握本工藝是根據水和油的密度差，利用重力沉降實現的液-液分離。通過仿真實訓，要求學生對液-液分離的設備特徵有所了解。

減壓精餾分離原理。“減壓精餾的分離原理”是這部分的核心知識點。這裡，要求學生了解採用減壓精餾技術分離乙苯與苯乙烯的技術優勢。

課程步驟

實驗方法

該實驗分3個層次進行模組化的實踐教學。由於各模組的學習目的和學習內容有所區別，所以實驗方法和實驗步驟也不盡相同。但“互動式自主學習”的理念貫穿於仿真設計的始終，仿真實訓要求學生自主學習，在人機互動中完成工藝流程的操作。

操作步驟

學生互動性操作步驟：14

學生互動性操作步驟說明：

I.固定床反應模組的操作步驟如下（共14步）：

登錄系統，點擊“開始學習”，點擊“啟動”；點擊“知識點”，學習實驗相關知識，然後返回到上一個界面。

開始仿真實驗，進行冷態開車。點擊“進入系統”，選擇“固定床反應實驗”中的“冷態開車”，點擊“開始”。

開啟電源，開啟閥門。開啟裝置電源開關，開啟相應閥門（V2、V6、V4、V5、V9、V14和V16）。

系統升溫。設定溫控儀表（E101、E102、E103、R201、R202）參數（150℃），開始加熱；設定冷凝櫃參數（全開）。

開啟水泵。接通水泵電源，設定水泵參數（推薦旋鈕調節衝程為50，調節上下按鈕使流量顯示為200ml/h左右）。當水汽化器溫度升至150℃時，開啟水泵進水；運行30分鐘（仿真環境為20秒）。

設定溫控儀表（E101、E102、E103、R201、R202）參數（推薦560℃，或其他反應溫度）。

開啟乙苯泵。設定乙苯泵參數（推薦旋鈕調節衝程為50，調節上下按鈕使流量顯示為200ml/h左右）。當乙苯汽化器溫度達到560℃（或其他反應溫度）時，開啟乙苯泵；運行30分鐘（仿真環境為20秒）。

當前反應條件取樣分析。點擊“一段產物取樣”和“二段產物取樣”，獲得樣品分析結果（取樣次數不少於2次）。

記錄實驗條件和實驗結果。點擊“檔案管理”新建檔案，設定為“當前記錄檔案”並“保存”。點擊“實驗記錄”進入數據管理，點擊“記錄數據”錄入實驗條件和分析結果，然後“提交”。

考察溫度對反應的影響（可單獨選擇專項練習）。設定步驟5中溫控儀表參數（推薦580℃，600℃，620℃）。取樣分析，記錄實驗條件和實驗結果。

考察水烴比對反應的影響（可單獨選擇專項練習）。調節水泵或者乙苯泵來選擇水烴比（推薦1.5:1，2:1，3:1，僅調節水泵按鈕即可）。取樣分析，記錄實驗條件和實驗結果。

考察乙苯空速對反應的影響（可單獨選擇專項練習）。調節乙苯泵的流量，同時調節水泵流量保持水烴比不變。取樣分析，記錄實驗條件和實驗結果。操作步驟9~11次序可以任意調換（暫不計分）。

系統停車（可單獨選擇專項練習，沒有評分要求）。關閉乙苯泵，設定溫控儀表參數為常溫；待系統溫度降至150℃左右時關閉水泵；待溫度降至90℃時關閉產品出口閥門；最後關閉電源及裝置與外界連通管路上的所有閥門。

回答思考題。點擊“思考題”，回答問題並提交。

生成實驗報告。點擊“生成報告”，選擇路徑，點擊“生成”。在評分系統中，點擊“工具”中“查看成績”。點擊“退出”。

II.膜分離固定床反應模組的操作步驟如下（共14步）：

登錄系統，點擊“開始學習”，點擊“啟動”；點擊“知識點”，學習實驗相關知識，然後返回到上一個界面。

1. 開始仿真實驗，進行冷態開車。點擊“進入系統”，選擇“沸石膜乙苯脫氫反應”中的“冷態開車”，點擊“開始”。
2. 開啟電源，開啟閥門。開啟裝置電源開關，開啟相應閥門（V2、V6、V4、V5、V10、V11、V14和V16）。
3. 系統升溫。設定溫控儀表（E101、E102、E103、R201、R202和M201）參數（150℃），開始加熱；設定冷凝櫃參數（全開）。
4. 開啟水泵。接通水泵電源，設定水泵參數（推薦旋鈕調節衝程為50，調節上下按鈕使流量顯示為200ml/h左右）。當水汽化器溫度升至150℃時，開啟水泵進水；運行30分鐘（仿真環境為20秒）。
5. 系統繼續升溫。設定溫控儀表（E101、E102、E103、R201、R202和M201）參數（推薦560℃，或其他反應溫度）。
6. 開啟乙苯泵。設定乙苯泵參數（推薦旋鈕調節衝程為50，調節上下按鈕使流量顯示為200ml/h左右）。當乙苯汽化器溫度達到560℃（或其他反應溫度）時，開啟乙苯泵；運行30分鐘（仿真環境為20秒）。
7. 7-14.與“固定床反應實驗”相同。

在“固定床反應模組”的仿真操作過程中，學生需要在軟體指導模式下完成整體工藝操作程式1次，自主完成“膜分離固定床反應模組”仿真操作1次。通過仿真實訓，要求學生掌握兩段固定床反應器開、停車的正確步驟。同時，學生通過反覆演練，可以使自己的分數不斷提高，激發並調動其學習積極性。

實驗記錄

是否記錄每步實驗結果：是

實驗結果與結論要求：實驗報告，心得體會

其他描述：在該實驗中，不同的仿真教學模組由於實驗目的的不同，其對實驗結果與結論的要求也不同。對於“固定床反應模組”和“膜分離固定床反應模組” 2個教學模組，不僅要求學生能夠按照規定步驟完成實驗操作，並達到一定熟練程度，而且還要求學生能夠根據系統提示的錯誤信息，為仿真操作糾錯。對於拓展訓練所包含的模組，僅要求學生能夠按照規定步驟完成實驗操作，對熟練程度不做要求；但需要學生能夠通過實驗設備與操作條件的對比，總結歸納出“沸石膜乙苯催化脫氫制苯乙烯”工藝的特點以及改進方向。

課程特色

教學方法

該實驗依據信息化時代學生的學習需求和實踐實習教學特點，採用多種教學模式和方法：

1. 基於“網際網路+”的混合式教學模式。課前，教師設計教學方案通過網路進行實驗講解；學生通過虛擬仿真軟體線上集中學習“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝相關的基本知識。課中，以虛擬仿真實驗為主，教師演示實體實驗；學生設計操作方案，自主進行仿真實驗並完成仿真操作與拓展訓練。課後，學生交流學習心得並自我評價。
2. “線上線下”相結合的教學模式。具體表現在：虛擬仿真軟體可線上統計學生在仿真學習中出現的問題，據此教師可在實驗現場進行深入講解，實現虛擬教學與實體實驗教學之間的良性互動和互相促進。將線下專業課的課堂教學與線上“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝相關知識點的集中學習相結合，全方位提升學生的實驗預習效果與知識點的掌握程度。學生通過對比模擬介質實驗與虛擬仿真過程，提升學生仿真操作的現實感與理解程度，並利用拓展訓練，綜合提高學生的工程意識。
3. 在教學內容上實現了從認知到體驗（理論知識學習→模擬介質實驗），從簡單到複雜（固定床反應模組→膜分離固定床反應模組），從仿真操作到工程拓展，從單一設備到綜合流程，遞進式的學習內容，可滿足不同層次、不同類型的人才培養需求。

該實驗實現了化工學科的知識教學與信息技術深度融合，科學技術原理與實際生產數據相互補充；教學方式方法靈活有效，對學習者有吸引力，教學有效度高。

評價體系

該仿真實驗評價包含實驗操作成績、思考題成績和實驗報告成績3部分。其中，實驗操作成績包含實驗步驟完成分和實驗操作質量分。前者考核學生對實驗環境安全的判斷力與基本操作的掌握程度；後者依據仿真過程所實現的乙苯轉化率、苯乙烯收率及能耗大小給成績。拓展訓練綜合考察學生分析與解決工程實際問題的能力，依據學生對工藝過程的整體認知情況，對於生產實際過程中問題的判斷情況，其成績以思考題的方式納入仿真評價。實驗報告可以體現學生對基礎理論的掌握程度、實驗數據歸納、整理與分析能力，成績由指導教師批閱後給出。

傳統教學的延伸與拓展

考慮到“沸石膜乙苯催化脫氫制苯乙烯”工藝高危、高毒、高風險的特點，傳統實驗僅能進行模擬介質實驗。在該虛擬仿真實驗的實訓過程中，學生可以在虛擬環境中接觸到了乙苯、氫氣以及其它有毒氣體，實現了“沸石膜乙苯催化脫氫制苯乙烯”真實工藝的操作與控制；同時，可以體驗到由於操作失誤、設備失控以及材料誤選帶來的事故與危害。這不僅能夠加深學生對安全、環保等問題的掌握,而且還可以提升學生對“沸石膜乙苯催化脫氫制苯乙烯”工藝過程的整體認知以及開展各種失效診斷的能力。

教學計畫

面向高校

該虛擬仿真實驗課程主要面向化工相關專業三年級及以上的本科、專科、高職高專學生，為其提供“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”仿真實踐平台。本著“開放中持續改進”的發展理念，在該軟體上線第2年，將面向全中國高校免費開放。藉助校內外學生的反饋信息，進一步完善教學案例、實驗案例、實驗習題、實驗試題等虛擬仿真實驗教學資源，同時擴充科研案例和面向化學工程套用與產品的實際案例，在細節上做到針對不同層次、不同知識背景學生的實訓內容設計與評價體系設計。即根據專業學科特點以及學員的知識結構，開發面向不同層次知識水平的教學方案，使得該專業學生、非該專業學生及甚至社會公眾都能在學習體驗中獲得適合自己的興趣所在，實現個性化的“新工科”教育。

面向社會

大連理工大學化工綜合實驗教學中心正在建設具有擴展性、兼容性、前瞻性的虛擬仿真實驗教學管理和共享平台，除為校內外師生提供了較好的實驗教學服務外，還將與化工企事業單位實現教學資源共享。在項目上線第3年，擬引入企業專家進行評教，為該虛擬仿真實驗課程開展專家系統的深度開發，完善互動方式、實驗成績的評價體系。中心與北京東方軟體技術有限公司合作進行研究及開發，實現數據溝通和共享。依託該公司的服務平台實現面向化工企業的資源共享，為企業提供崗前培訓、安全教育等服務，為企業培養高層次人才，以此建立“產學合作、工學結合”的校企合作機制。

教學目標

“乙苯催化脫氫制苯乙烯”是一個典型的化工過程，是生產苯乙烯的重要途徑。因此，基於該化工過程開發的實踐教學內容，可為化工與製藥類相關專業學生搭建從課堂教學“知識點”到企業生產工藝最佳化“設計點”間的橋樑，在工科實踐教學中具有典型的示範意義。

“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”反應中含有芳烴和氫氣，具有高危、高毒、高風險的特點。其中，芳烴危害人體；氫氣易燃、易爆。尤其是在近600℃的反應工況下，工藝過程存在發生安全事故的風險。因此，基於該工藝的實踐教學環節在諸多方面難於開展，比如：誤操作引起的後果，芳烴及氫氣環境下的實驗操作等。眾所周知，實踐教學是培養和提高化工類專業學生工程實踐能力、創新精神與創新能力的重要手段；利用典型生產工藝提升學生的工程實踐能力正是“新工科”建設背景下實踐教學的強烈需求。為此，該實驗採用虛擬仿真拓展“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯綜合實驗”實踐教學的廣度和深度，以達到鞏固學生基礎理論知識，培養學生實際操作能力與分析解決問題的能力，提升學生研究設計能力和創新能力的目的。

“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯虛擬仿真實驗”的項目特色是將沸石膜的分離作用與反應工程耦合，實現了分離強化反應的效果。通過虛擬仿真項目實訓，學生可以掌握固定床反應、膜分離機理、減壓精餾等原理與工藝過程。該實驗採用從易到難、從簡到繁、多方位拓展遞進式的教學方法，從利於學生工程能力培養和未來職業發展出發，構建了3個層次共8個模組的仿真實踐教學內容。這些教學模組既相互獨立又互有聯繫，在實訓中可使學生在以下四個方面得到提高。

1. 對反應工程理論知識的理解程度。
2. 對固定床反應器、膜分離、減壓精餾等基本操作與方法的掌握程度。
3. 運用理論知識分析問題、解決工程實際問題的能力。
4. 面向複雜化工問題的科研創新能力。

教學要點

• 教學方法

“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯綜合實驗”將固定床催化反應與膜分離技術相結合，使學生認識到“反應工程”與“分離工程”兩者的聯繫及其相互促進關係。進一步來說，可以使學生掌握“分離技術強化催化反應”的原理、工藝過程，以及相關設備與操作流程。“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯綜合實驗”包括線下教學和線上教學（粉色虛線內）兩部分內容，模組結構如圖所示。各部分教學的目的、實施過程與實施效果如下：

教學層次結構與相應教學模組

第一部分：線下實驗教學——模擬介質實驗

線下實驗教學是通過學生與“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”模式反應裝置的互動，熟悉工藝流程與實驗設備，認識其存在的安全隱患與環境保護問題。考慮到“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝的高危、高毒、高風險，在實驗環節中採用模擬介質實驗。具體包括：模擬介質等溫固定床反應實驗，模擬介質減壓精餾分離實驗與模擬介質液-液分離實驗。模擬介質實驗是要強化學生在“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝學習中的線下體驗。在實驗中，工藝原料採用水或其它低風險的有機溶劑代替，學生可以在安全的環境下操作。

第二部分：線上實驗教學——虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗教學為該課程的重點內容。含有3個層次（理論知識、仿真操作、拓展訓練），共8個教學模組。

第一層次：理論知識

“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯綜合實驗”的理論知識有線上、線下兩種學習模式。其中，課堂教學是線下教學的主體，通過“化工原理”“反應工程”“分離工程”“化工工藝學”等課程學習，學生可以對減壓精餾、固定床反應及膜分離等知識開展系統性學習。然而，課堂教學無法聚焦“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝本身所包含的知識點。為此，該虛擬仿真實驗開發了線上理論知識學習部分，彌補了線下教學在這一方面的缺失。

虛擬仿真實驗中的“理論知識”部分，將化工安全環保知識、膜分離原理、固定床反應以及減壓精餾等相關知識有針對性的展現在學生面前。這不僅可以輔助學生完成實驗預習的全過程，而且通過人機互動，潛移默化的實現學生從“知識點”學習到“知識點”運用的轉化。以化工安全環保知識模組的學習為例：在仿真實訓中通過安全隱患場景的設計，學生不僅有身處實驗室火災現場的體驗，而且還可以學習到滅火器、滅火毯等用具的正確使用方法。

第二層次：仿真操作

仿真操作包含固定床反應與膜分離固定床反應2個仿真教學模組。

第1模組：固定床反應模組。在該模組中，乙苯與水分別進入汽化器汽化；混合後一起進入預熱器升溫；在達到規定溫度後，連續進入一段固定床反應器與二段固定床反應器進行反應；產品經冷凝後進入油水分離器分離。在此模組的仿真實訓中，學生可以改變空速、水烴比和溫度等因素來考察乙苯轉化率及苯乙烯收率的變化規律。

第2模組：膜分離固定床反應模組。該模組位於一段固定床反應器後端，是膜分離器與二段固定床反應器的集合體。其中，膜分離器可將一段膜反應器生成的氫氣從原料氣中分離，提升二段反應器的乙苯轉化率及苯乙烯收率。與固定床反應模組相同，該模組同樣可以考察空速、水烴比和溫度等因素對乙苯轉化率及苯乙烯收率的影響，相比於常規固定床反應的乙苯轉化率，學生可以掌握膜分離強化反應的技術優勢。

固定床和膜分離固定床反應模組

第三層次：拓展訓練

拓展訓練包含乙苯/苯乙烯減壓精餾與沸石膜氣體滲透性能分析2個教學模組。

第1模組：乙苯/苯乙烯減壓精餾模組。用於液-液分離後富含乙苯及苯乙烯的有機相。在拓展實訓中，仿真軟體不僅可向學生展示精餾塔內部的相態變化、精餾塔的溫度與壓力的分布，而且還可通過直觀的動畫演示，使學生掌握減壓精餾的分離原理與精餾塔的結構特徵。進一步可通過塔板的優選，了解塔板類型對分離效率的影響。

第2模組：沸石膜氣體滲透性能分析模組。通過該模組的仿真模擬，可以獲得不同氣體在沸石膜中的分離因數及滲透量。並藉助二段反應器的收率變化，加深學生對“分離強化反應”這一知識點的理解。最終，依據氣體的分離因數，學生可以確定最佳、最經濟的膜分離器及操作參數。

學習預備

知識能力

在進行該虛擬仿真實驗操作之前，學生應掌握“高等數學”“化工原理”“反應工程”“分離工程”課程的相關知識，並具有一定的工程實踐經歷。

實驗材料

該虛擬仿真實驗採用Unity3d作為3D引擎，採用C#語言並通過Visual Studio工具進行開發。整個軟體系統以實現“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝過程的開車、運行與停車為主線展開。

該虛擬仿真實驗系統包含固定床反應器，膜分離器（可調整膜的滲透量、分離因數、水熱穩定性等），以及保障反應運行的流體輸送設備與換熱器等。預設實驗體系的物料包括乙苯、苯乙烯、苯、甲苯、水、氫、甲烷、乙烷等化學物質。在實驗過程中，學生可以調節反應的空速、水烴比、溫度、壓力等參數。學生在虛擬仿真實踐過程中不接觸實際的實驗裝置與化學試劑。

設備裝置

大連理工大學具有“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”工藝的多項自主智慧財產權。若套用於實踐教學，該工藝不僅具有網路化、工程化和綜合化的優點，而且可以通過“分離強化反應”這一典型案例，讓學生了解到“分離工程”與“反應工程”的一種耦合模式，提升學生解決化工綜合問題的能力。考慮到“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯”反應的高危、高毒和高風險，該中心依託模式實驗裝置，開發了虛擬仿真實驗軟體，如圖所示。藉助仿真實訓的教學優勢，完善“沸石膜乙苯脫氫制苯乙烯綜合實驗”的教學內容。

模式實驗裝置圖和虛擬仿真裝置圖（左為實體裝置圖，右為仿真裝置圖）

運行條件

具體條件	具體要求
網路條件要求	說明客戶端到伺服器的頻寬要求（需提供測試頻寬服務）：基於公有雲伺服器部署系統，5M-10M頻寬；基於區域網路伺服器部署的系統，10M頻寬。 說明能夠提供的並發回響數量（需提供線上排隊提示服務）：500
用戶作業系統要求	計算機作業系統和版本要求：Windows 7及其以上版本 其他計算機終端作業系統和版本要求：不支持 支持移動端：否
用戶非作業系統軟體配置要求	需要特定外掛程式：否 外掛程式名稱：暫無內容 外掛程式容量：暫無內容 下載連結：暫無內容 其他計算機終端非作業系統軟體配置要求（需說明是否可提供相關軟體下載服務）：不支持其它終端
用戶硬體配置要求	計算機硬體配置要求：CPU主頻：i5 3.20GHz ；顯示卡：2GB顯存以上；記憶體：4GB以上；硬碟：500GB以上。 其他計算終端硬體配置要求：無
用戶特殊外置硬體要求	計算機特殊外置硬體要求：無 其他計算終端特殊外置硬體要求：專業圖形顯示卡、數據線、信號線、電源線、支架、雲台。

（註：表格內容參考資料）

考核標準

該虛擬仿真實驗課程主要依據學生在“仿真操作”與“拓展訓練”中的表現考核評分，但兩種模式採用了不同的考核方式。

仿真操作：檢驗學生對於基礎理論和基本操作技能的掌握程度，主要根據學習時間和操作熟練程度進行考核評分。在仿真操作過程中穿插出現單選、多選、判斷等形式的思考題，將“學-練-考”相結合，提升仿真教學的培訓效果。

拓展訓練：該部分對操作的熟練程度不做考察，主要考核學生分析與解決工程實際問題的能力。通過沸石膜氣體滲透性能分析模組的拓展訓練，可以提升學生對節能減排在工業工程中重要性的認識；通過乙苯/苯乙烯減壓精餾模組仿真模組，可以提升學生對“沸石膜乙苯催化脫氫制苯乙烯”工藝整體的認知。在拓展訓練中設定事故緊急處理單元，通過學生的處理時間、處理方式與步驟、以及提出的處理依據等綜合評價學生。

最終依據課前預習情況、仿真實訓表現及最終的實驗報告對學生進行綜合評定。此外，推薦學生在完成實驗後，寫出實驗心得並提出合理化建議，根據具體情況酌情加分。

教師簡介

王維，香港科技大學博士和博士後，大連理工大學化工學院教授、博士生導師、碩士生導師。

魯金明，大連理工大學化工學院副教授、碩士生導師，化學工藝系副主任，石油化工教研室主任。

毛慶，中國科學院大連化學物理研究所博士，大連理工大學化工學院副教授、碩士生導師。

何德民，大連理工大學化工學院工程師。

趙宗昌，大連理工大學化工與環境生命學部化工學院教授、博士生導師、碩士生導師。

潘艷秋，大連理工大學化工學院教學指導委員會主任、教授、博士生導師、碩士生導師。

吳雪梅，教授、博士生導師、碩士生導師，大連理工大學化工學院盤錦分院副院長。

張艷，大連理工大學化工學院講師。

徐威，大連理工大學化工學院工程師。

張守海，教授、博士生導師、碩士生導師，大連理工大學化工學院高分子材料系系主任。

王世盛，中國科學院大連化學物理研究所博士，大連理工大學化工學院藥學系副主任、副教授、碩士生導師。

周穎，大連理工大學化工學院教授、碩士生導師。

王瑤，大連理工大學化工學院教授、博士生導師、碩士生導師。

喬衛紅，大連理工大學化工學院教授、博士生導師、碩士生導師。