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)

隨著現代工業的快速發展，國家從戰略層面對包括化學工程與工藝專業在內的眾多工科專業提出了“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、學科交叉融合培養創新型復合人才[5-6]。

我國高度重視低碳綠色工業與環境污染治理，中國政府已于2020年向世界莊嚴承諾：力爭在2030年實現“碳達峰”，并于2060年實現“碳中和”[7]。六盤水地區產業結構包括煤炭、電力、冶金、生物制藥等，是西南地區重要的能源工業基地，為更好的服務于地方產業與人才培養，符合國家戰略目標，結合區域特色，我校化工專業開設了化工過程模擬實驗，以節能減排和碳中和為目標，開發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。以期培養學生能夠運用現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“含甲乙酮的工業廢水的高效分離純化與節能工藝”為例進行了教學研究。包括實驗前的預習、實驗執行、數據后處理、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廢水，如果直接排放掉，不僅會造成經濟損失，還會對環境造成污染[10-11]。因此對工業廢水中甲乙酮的分離回收不僅具有經濟價值，還有環保意義。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)，普通精餾工藝有精餾邊界的局限，最高可得質量分數為0.9的甲乙酮產品，無法實現高效分離，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，不符合低碳與節能的教學理念。而本實驗以甲乙酮含量為20wt%的工業廢水為實驗對象，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化，得出滿足分離要求的工藝參數。然后對該工藝進行熱集成節能改造，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。對節能改造前后的總能耗進行評價與分析，定量識別節能降耗的效果。

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、行業現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生連續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)經冷卻后循環利用。該實驗中各模塊初始參數的設置列于表1中。

圖1 含甲乙酮工業廢水的萃取-精餾分離工藝流程圖

表1 全流程模擬的初始參數

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進行優化，其中萃取塔的參數優化是以萃余液中水的質量分數為目標變量，萃取級數、操作溫度及萃取劑的用量為操作變量進行不斷調試優化，最終實現水的質量純度不低于0.998；萃取劑回收塔的參數優化是以塔頂甲乙酮和塔底正辛烷的質量分數為目標變量，塔板數、回流比及進料位置為操作變量進行不斷調試優化，最終實現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。

1.4 實驗改進—節能降耗

隨著我國“雙碳”目標的提出，節能降耗是綠色化工過程的關鍵，也是本實驗“低碳、節能、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，以期達到節能降耗的目的，節能改造的工藝流程圖如圖2所示。

圖2 含甲乙酮工業廢水分離的節能改造工藝流程圖

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，因此節能改造的工藝流程為利用循環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。對節能改造前后的總能耗進行評價與分析，定量識別節能降耗的效果。

經過節能改造后，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、節能、高效產出為教學理念，又滿足“金課”中高階性、創新性與挑戰度的“兩性一度”要求；對工藝流程的不斷調試優化與創新性的節能改造，也融入勇于探索的創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進行了調優。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，增加學生對節能改造前后的總能耗的比較與分析，定量識別節能降耗的效果。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、節能、高效產出”的理念。基于“設計/開發解決方案”與“使用現代工具”的工程教育要求，結合生產實際將“含甲乙酮的工業廢水的高效分離純化與節能工藝”設置為復雜工程問題的任務式訓練項目，體現了“金課”中高階性、創新性與挑戰度的“兩性一度”要求；對該工藝的深度分析與創新性的節能改造，也融入勇于探索的創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，又培養了學生創新精神和工程實踐能力，讓學生能夠深刻體會到化學工業的生產過程是一個需要解決多變量優化的復雜工程問題。