当前我国面临复杂多变的安全和发展环境，在多重压力下，近年来火炸药研制与生产事故频发，对国家安全造成巨大影响。为解决限制我国火炸药行业高质量发展的安全问题，亟待面向国防行业培养火炸药专业安全精英人才。目前在人才培养中由于含能材料的易燃易爆特性，大量相关实验无法开展。开展立足于实际研制与生产的虚拟仿真实验尤为迫切。“硝化工艺危险特性及安全控制虚拟仿真实验”设计团队立足于含能材料全国重点实验室（南理工分中心）、工信部含能材料及安全实验教学示范中心等国省级平台，依托“安全工程”和“特种能源技术与工程”国家级一流本科专业建设点，结合多年的含能材料研究和教学经验，将前沿科研成果转化为实验教学资源，解决学生面临含能材料研制和生产实际所带来的高风险、高成本、实验难以重复等教学难题，以达到面向火炸药行业培养解决复杂工程问题人才的目标。

本实验以2,4,6-三硝基甲苯（TNT）生产工厂实景为蓝本，将TNT制造的工艺过程与安全工程专业教学有机融合，设计融入安全法规与标准认知、生产环境与场景漫游、工艺参数设计优化、设备故障应急处置等教学环节，掌握含能材料生产的风险辨识与控制、安全设计与应用、应急管理等实践环节知识点，从而有效提升安全工程、特种能源技术与工程等相关专业人才的风险辨识、安全设计、应急保障等安全管理、工程实践和创新能力。

（1）通过学习本虚拟仿真实验中的安全法规、安全设计、案例分析等知识点，树立和强化学生对含能材料生产过程的安全意识，培养学生风险辨识与管理能力；突出“国防安全、绿色化学、生命至上”认知，培养学生“为国奋斗、精工卓越、勇于献身、勇担重任”的情怀和责任；

（2）通过学习本虚拟仿真实验中硝化工艺装置、工艺流程及工艺过程安全设计原理等知识点，培养学生安全设计与控制等工程能力和创新能力；

（3）通过学习虚拟仿真实验所设计的应急处置模块，让学生熟练掌握针对搅拌故障、温度异常、进料异常等原因造成燃爆事故的应急处置技能，培养学生安全应急处置和解决复杂工程技术问题的能力。

本项目基于“理论方法教学+虚拟实物仿真+工程实际操作”的实验体系，聚焦火炸药生产工艺安全问题，设计了“生产安全认知-工艺安全设计-安全生产控制-事故应急处理”递进式的实验环节，环环相扣，依次递进，共设置了133个实验步骤。

（1）安全事故分析、控制原理

安全事故分析是通过构建图谱、框架，形成分析网络，对安全事故的原因和影响进行分析，通过分析各个节点之间的联系，找出某个节点的失效会导致整个系统功能发生共振，从而定性分析导致事故发生原因。

控制原理包括三个基本步骤：一是建立安全生产的判断准则和标准；二是衡量安全生产实际管理活动与预定目标的偏差(通过获取、处理、解释事故、风险、隐患等安全管理信息，确定如何采取纠正上述偏差状态的措施)；三是采取相应安全管理、安全教育以及安全工程技术等措施纠正不良偏差或隐患。

（2）硝化反应原理

甲苯经由三段硝化最终生成三硝基甲苯。甲苯一段硝化时生成三种异构体，间邻硝基甲苯为副产物，在进一步硝化时生成不对称TNT而在精制时被除去。一段硝化工艺采用2台串联的硝化机及1台稀释机，原料为甲苯、稀硝酸和来自二段硝化的废酸。二段硝化可生成6种二硝基甲苯异构体，其中4种在进一步硝化反应中生成不对称TNT。二段硝化工艺采用3台硝化机串联，加入一硝基甲苯、浓硝酸和来自三段硝化1号机的废酸。由于硝基对苯环结构的致钝作用，甲苯二段硝化的速度比一段硝化要低6个数量级，所以要采用较高的硝化温度。三段硝化生成的三硝基甲苯有6种异构体（a-TNT及5种不对称TNT）。三段硝化工艺采用8台硝化机串联，硝化产物与混酸逆向流动，硝化强度逐渐提高。二段硝化产物进入三段1号硝化机，随后将分离器所得的硝化物逐台后移。三段各硝化机要加入浓硝酸，浓硫酸(或发烟硫酸)从7号机加入。随后酸相经分离器流出，硝化产物送洗涤精制。

（3）应急处置原则

科学性原则：科学性原则是指应急各要素、运行内容以及程序都要符合科学规律要求。包括应急机制本身的设计以及机制内在要素的设计与完善，风险隐患治理、预测预警、应急机构设置、权利与义务、应急资源征用等，实现时间和效率的要求、数量和质量的要求。

系统性原则：应急运行机制既要考虑一般要素设计制度和工作规律，又要考虑各个运行机制相互协调运转，使运行机制成为一个良性运行系统，包括各应急运行要素、各子系统自身完善，以及要素、各个子系统相互之间协同联动。

动态高效原则：突发事件具有不确定性、突发性和巨大危害性，及时预防、控制和化解，防止危害增加，损失加大，出现事件升级。要随着应急管理各阶段任务要求的变化，不断更新各要素的制度设计，不断地进行资源调配和调用，不断地磨合各子系统的运转机制。

知识点：共6个

① 安全工程的事故预防原理；

② 化工生产过程的安全控制理论；

③ 硝化制备TNT的反应原理、设备和工艺；

④ 硝化反应条件及安全工艺参数设计；

⑤ 硝化工艺危险特性、危险源辨识及事故预测、预防和处置原则；

⑥ 硝化工艺生产过程严重突发事件应急处理。

1、实验内容

本虚拟仿真实验包括“实验介绍”、“安全意识”、“工艺设计”、“试车生产”、“应急处置”、“实验报告”等6部分内容，共133个交互性操作步骤，通过“沉浸式”安全认知、案例分析、工艺参数设计与优化、故障应急处置、事故情景重现等仿真实验体验，有效提升安全工程、特种能源技术与工程等相关专业人才的风险辨识、安全设计、应急保障等安全管理、工程实践和创新能力。

2、操作步骤

本虚拟仿真实验的实验方法与操作步骤如下：

首先访问实验项目。在浏览器中输入本虚拟仿真实验项目的网址 http://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（建议使用谷歌或火狐浏览器）。

（1）实验准备

① 在谷歌或火狐浏览器中输入本虚拟仿真实验项目的网址，进入实验首页界面，如图1所示。用户通过浏览项目简介视频、引导视频和实验指导书等资料了解实验目的、实验原理、实验内容、操作步骤和实验要求等。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1 实验首页界面

② 用户使用鼠标点击页面中的“报名参加”按钮，进入实验登录界面（图2），输入账号、密码后登录至实验准备页面（图3）。点击实验准备界面中“进入实验”按钮，进行实验系统加载。

图2 实验登录界面

图3 实验准备页面

（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”场外引导漫游（图4）、场内引导漫游（图5），对整个硝化工厂的漫游介绍，漫游结束后，通过操作提示界面进入实验中控室，如图6所示。

图4 场外引导漫游界面

图5 场内引导漫游界面

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”、“工艺设计”、“试车生产”、“应急处置”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、案例分析和课程思政，具体实验步骤如下：

a. 在菜单界面，点击安全意识菜单栏中的“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，答题完毕按“提交”按钮，如图10所示。随后，以同样方式，依次学习安全生产方针、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并答题。

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

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11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，答题完毕按“提交”按钮，如图12所示。随后，以同样方式，依次学习外部安全距离、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并答题。

图11 安全设计知识点列表

图12 内部安全距离知识点及考核界面

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13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，答题完毕按“提交”按钮，如图14所示。以同样方式，完成案例二和案例三知识点的学习及考题。

图13 案例分析知识点列表界面

图14 案例一知识点及考核界面

d. 完成案例分析所有知识点学习和考核后，点击菜单栏中的“课程思政”按钮，进入课程思政知识点考核（如图15所示，共3题，以第1题为例），让学生了解吕春绪教授等含能材料领域专家对硝化工艺的卓越贡献、工匠精神，了解国家所倡导的以清洁硝化技术为代表性的绿色军工的意义，明确安全生产对人才培养的重大作用。

图15 课程思政教育考核界面

⑤ 工艺设计

工艺设计分为：硝化一段、硝化二段、硝化三段和参数汇总，具体实验步骤如下：

a. 在菜单界面，点击工艺设计菜单栏中的“硝化一段”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16所示）。完成学习后，点击确定，进入硝化一段工艺参数设计界面（如图17所示），首先点击“查看工艺要点”（如图18所示），学习硝化一段常见问题。然后鼠标放在输入框上会显示对应的输入说明（如图19所示），根据参数说明，输入相应数值。按同样方法，设置硝化一段其它参数，所有参数设置完毕，点击 “确认参数设计”按钮，进行下一步操作。

图16 参数设计重要性提示界面

图17 硝化一段参数设计界面

图18 查看硝化一段工艺要点界面

图19 硝化一段硝酸过用率输入说明界面

b. 硝化一段参数设计完成后，通过点击工艺设计菜单栏中的“硝化二段”、“硝化三段”按钮，按硝化一段参数设计相同方法，依次完成完成硝化二段、三段的参数设计。

c. 完成上述三段硝化工艺参数设计后，点击工艺设计弹出菜单中的“参数汇总”按钮，进入三段工艺参数汇总界面（如图20所示），点击“修改参数设计”按钮可以回到每段工艺参数设计界面，可修改已设置的参数，全部工艺参数确认设置后点击 “确认”按钮，提示参数设完成，关闭窗口，点击生产试车。

图20 三段工艺参数汇总界面

⑥ 试车生产

完成参数设计后，点击试车生产，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21所示），点击进料反应，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（如图22所示）。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23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24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21 硝化监控画面

图22 硝化一段、二段和三段反应情况

图23 燃烧或爆炸场景

图24 实验成功界面

⑦ 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，出现搅拌故障、温度异常和进料异常三种常见的故障，如图25所示。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26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27所示），根据DCS中的处置提示，按步骤进行搅拌故障处理后（处理过程中右下角小窗口同步显示现场处理状态），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28所示）。

图25 应急处置界面

图26 硝化一段搅拌故障监控画面

图27 硝化一段搅拌故障DCS操作系统界面

图28 硝化一段搅拌故障排除监控画面

b. 完成故障一的排除后，再次点击菜单栏中的应急处置按钮，在应急处置界面，点击“温度异常”或“进料异常”按钮、触发相应警报；然后，根据提示，按处理“搅拌故障”相同的方法，完成“温度异常”和“进料异常”的应急处置。

⑧ 完成所有模块实验内容和考核后，在菜单界面，点击“实验报告”按钮，对实验报告进行在线分析（如图29所示）。填写好姓名、学号及实验总结，点击“上传实验报告”按钮后，即可完成实验。点击“下载实验报告”，可得到如图30所示的实验报告样本。

图29 实验报告界面

图30 实验报告样本