新工科背景下化工過程模擬實驗的教學探究*

李 靜，王克良，陳定梅，李 松，繆應菊，葉 昆

(1 六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004；2 貴州省煤炭潔凈利用重點實驗室，貴州 六盤水 553004；3 中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 任丘 062550)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，國家從戰(zhàn)略層面對包括化學工程與工藝專業(yè)在內的眾多工科專業(yè)提出了“新工科”的建設要求，再一次強化了工程教育改革的重要性，先后形成了一系列的行動路線[1-4]。與之前的培養(yǎng)模式相比，新工科建設更強調采用新體系、新思路、學科交叉融合培養(yǎng)創(chuàng)新型復合人才[5-6]。

我國高度重視低碳綠色工業(yè)與環(huán)境污染治理，中國政府已于2020年向世界莊嚴承諾：力爭在2030年實現(xiàn)“碳達峰”，并于2060年實現(xiàn)“碳中和”[7]。六盤水地區(qū)產業(yè)結構包括煤炭、電力、冶金、生物制藥等，是西南地區(qū)重要的能源工業(yè)基地，為更好的服務于地方產業(yè)與人才培養(yǎng)，符合國家戰(zhàn)略目標，結合區(qū)域特色，我?；I(yè)開設了化工過程模擬實驗，以節(jié)能減排和碳中和為目標，開發(fā)了一系列和生產實際相關的低碳綠色化工過程模擬實驗項目。以期培養(yǎng)學生能夠運用現(xiàn)代計算機軟件解決化工過程中復雜工程問題的能力。我們始終以低碳、節(jié)能、高效產出為教學理念，貫徹在所有的實驗項目中。

下面我們以實驗項目“含甲乙酮的工業(yè)廢水的高效分離純化與節(jié)能工藝”為例進行了教學研究。包括實驗前的預習、實驗執(zhí)行、數(shù)據(jù)后處理、撰寫實驗報告等過程。

1 實驗項目

1.1 實驗內容

甲乙酮是一種非常常見的化工原料，經濟價值很高[8-9]。對于生產過程中產生的含甲乙酮的工業(yè)廢水，如果直接排放掉，不僅會造成經濟損失，還會對環(huán)境造成污染[10-11]。因此對工業(yè)廢水中甲乙酮的分離回收不僅具有經濟價值，還有環(huán)保意義。然而，甲乙酮和水在常壓下會形成共沸混合物，甲乙酮的共沸組成為0.9(質量分數(shù))，普通精餾工藝有精餾邊界的局限，最高可得質量分數(shù)為0.9的甲乙酮產品，無法實現(xiàn)高效分離，不符合高效產出的教學理念；采用特殊精餾雖然可以得到高純度的甲乙酮，但無論是萃取精餾還是變壓精餾工藝，均需要雙塔工藝，還會或引入第三高沸點重組分、或有高操作壓力的精餾塔存在，不符合低碳與節(jié)能的教學理念。而本實驗以甲乙酮含量為20wt%的工業(yè)廢水為實驗對象，以正辛烷為萃取劑，采用萃取-精餾組合工藝對其進行高效回收分離，其中甲乙酮的質量純度不低于0.98，萃取劑正辛烷的質量純度不低于0.999，水的質量純度不低于0.998，通過工藝條件的不斷調試優(yōu)化，得出滿足分離要求的工藝參數(shù)。然后對該工藝進行熱集成節(jié)能改造，利用產品的熱量對精餾塔的進料進行預熱，達到降低工藝總能耗的目的。對節(jié)能改造前后的總能耗進行評價與分析，定量識別節(jié)能降耗的效果。

1.2 課前預習

在上實驗課前，要求學生先對此次實驗項目先進行國家政策、行業(yè)現(xiàn)狀及學術文獻的查閱，內容包括國家“雙碳”目標的背景，甲乙酮的用途、含甲乙酮工業(yè)廢水主要來源分析與分離回收的常用技術，通過查閱這些資料，完成實驗報告的第一部分-實驗背景及意義。

1.3 實驗過程

通過前期的預習，學生對含甲乙酮工業(yè)廢水的分離回收的多種技術有了很清晰的認識，我們在實驗課上采用化工過程模擬軟件進行萃取-精餾分離工藝的模擬。含甲乙酮工業(yè)廢水的萃取-精餾組合工藝流程圖如圖1所示。甲乙酮-水混合廢液從塔頂(F流股)進入多級連續(xù)萃取塔，萃取劑正辛烷(S流股)從塔底進入萃取塔，原料廢液和萃取劑正辛烷在萃取塔內發(fā)生連續(xù)逆流接觸和傳質萃取。從萃取塔塔底得到的萃余液(R流股)為高純度的水，而從塔頂(E流股)得到的萃取液中，有甲乙酮、正辛烷以及少量的水。萃取液E作為萃取劑回收精餾塔的原料液，在萃取劑回收精餾塔中實現(xiàn)萃取劑的回收利用，從精餾塔塔頂和塔底餾出的分別為高純度的甲乙酮(B流股)和萃取劑正辛烷，萃取劑正辛烷(S1流股)經冷卻后循環(huán)利用。該實驗中各模塊初始參數(shù)的設置列于表1中。

圖1 含甲乙酮工業(yè)廢水的萃取-精餾分離工藝流程圖

表1 全流程模擬的初始參數(shù)

在實驗過程中，采用靈敏度分析工具，分別對萃取塔和萃取劑回收塔的參數(shù)進行優(yōu)化，其中萃取塔的參數(shù)優(yōu)化是以萃余液中水的質量分數(shù)為目標變量，萃取級數(shù)、操作溫度及萃取劑的用量為操作變量進行不斷調試優(yōu)化，最終實現(xiàn)水的質量純度不低于0.998；萃取劑回收塔的參數(shù)優(yōu)化是以塔頂甲乙酮和塔底正辛烷的質量分數(shù)為目標變量，塔板數(shù)、回流比及進料位置為操作變量進行不斷調試優(yōu)化，最終實現(xiàn)甲乙酮的質量純度不低于0.98，萃取劑正辛烷的質量純度不低于0.999。最終得出滿足上述分離要求的工藝參數(shù)。

1.4 實驗改進—節(jié)能降耗

隨著我國“雙碳”目標的提出，節(jié)能降耗是綠色化工過程的關鍵，也是本實驗“低碳、節(jié)能、高效產出”教學理念的核心要求。因此，我們進一步對實驗內容的設計進行改革，提出了在原有工藝流程中設置中間換熱器進行能量的集成改造，以期達到節(jié)能降耗的目的，節(jié)能改造的工藝流程圖如圖2所示。

圖2 含甲乙酮工業(yè)廢水分離的節(jié)能改造工藝流程圖

萃取劑回收塔塔底正辛烷的溫度超過120 ℃，需要冷卻后才能作為萃取劑進入萃取塔循環(huán)利用(S流股)，而該精餾塔的進料(E流股)溫度較低(具體溫度受萃取塔最佳操作溫度影響)，E流股的溫度提高可大幅減少萃取劑回收塔的能耗，因此節(jié)能改造的工藝流程為利用循環(huán)萃取劑正辛烷的熱量對精餾塔的進料(E流股)進行預熱，達到降低萃取劑回收塔能耗和萃取劑正辛烷(S1流股)冷卻能耗的雙重目的。對節(jié)能改造前后的總能耗進行評價與分析，定量識別節(jié)能降耗的效果。

經過節(jié)能改造后，不僅降低了能耗，而且提高了能量利用率，還減少了經濟成本又提高了經濟效益，本項目中運用了多種分析手段，增加了該工藝的復雜程度與深度，即符合本課程低碳、節(jié)能、高效產出為教學理念，又滿足“金課”中高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度的“兩性一度”要求；對工藝流程的不斷調試優(yōu)化與創(chuàng)新性的節(jié)能改造，也融入勇于探索的創(chuàng)新精神和精益求精的大國工匠精神的課程思政元素。這些對于新工科背景下學生工程實踐能力的培養(yǎng)具有一定的借鑒意義。

1.5 實驗報告

經過全流程模擬，采用靈敏度分析工具對萃取塔和萃取劑回收塔的參數(shù)進行了調優(yōu)。需要學生在實驗報告中繪制影響因素對分離效果的曲線圖，并對結果進行分析，得出最佳工藝條件。此外，增加學生對節(jié)能改造前后的總能耗的比較與分析，定量識別節(jié)能降耗的效果。需要完成該工藝原理流程圖的繪制。最后，撰寫本次實驗總結，包括對整個分離工藝的影響參數(shù)總結、如何提高分離純度、哪些因素能夠降低能耗等關鍵問題。

2 結 語

新工科建設對于學生的培養(yǎng)提出了更高的要求，對接國家“雙碳”目標，我們在化工過程模擬實驗教學中始終向學生強調“低碳、節(jié)能、高效產出”的理念?；凇霸O計/開發(fā)解決方案”與“使用現(xiàn)代工具”的工程教育要求，結合生產實際將“含甲乙酮的工業(yè)廢水的高效分離純化與節(jié)能工藝”設置為復雜工程問題的任務式訓練項目，體現(xiàn)了“金課”中高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度的“兩性一度”要求；對該工藝的深度分析與創(chuàng)新性的節(jié)能改造，也融入勇于探索的創(chuàng)新精神和精益求精的大國工匠精神的課程思政元素；這種結合生產實際的化工過程模擬類實驗項目，既鞏固了相關的課堂理論知識，又培養(yǎng)了學生創(chuàng)新精神和工程實踐能力，讓學生能夠深刻體會到化學工業(yè)的生產過程是一個需要解決多變量優(yōu)化的復雜工程問題。