乙酸乙酯生物酯化實訓教學研究

苗鵬杰，王海龍，陳自嬌*，司 羽，郭 勤

（新疆理工學院，新疆阿克蘇 843100）

實踐教學是應用型高等院校整個教學活動中的重要環節，是鞏固理論知識、加深理論認識的有效途徑，是培養學生創新能力和提高動手操作能力的重要平臺。傳統的理論教學側重傳授基本原理和基礎規律，實踐教學則具有直觀性和開放性，更側重于展示、驗證和拓展理論知識。尤其像我學院能源化工這種特色鮮明的專業，更要求學生具備對實踐現場的掌握、實操能力，及發現問題，分析問題、解決問題的邏輯能力。教育部多次指出實踐教學依然是高校人才培養中的薄弱環節，距離培養拔尖創新人才還有不小的距離，因此提高實驗裝置的實訓教學有益于實踐教學水平的提高。乙酸乙酯是應用廣泛的基礎有機化工原料之一，其生產裝置是石化企業制備酯類產品的一種實用裝置[1]。我校于2018年購置了一套乙酸乙酯生物酯化化工專業技能操作實訓裝置，主要用于能源化工工程和過程裝備及控制工程兩個專業本科實訓教學工作。

1 生物酯化實訓裝置概述

1.1 乙酸乙酯裝置的工業背景

乙酸乙酯因其良好的溶解性和快干性，被廣泛用作工業溶劑和有機化工原料，例如在工業生產中被用作黏合劑、生產涂料、氯化橡膠、乙基纖維、人造革等的有機溶劑，在醫藥和有機酸生產中作為提取劑，其擁有廣闊的發展前景。目前，乙酸乙酯的工業生產工藝主要有：乙酸乙酯酯化法、乙醛縮合法、乙醇一步法[2]。綜合考慮，本裝置采用國內常用的乙酸乙酯直接酯化法，反應原理為：

本裝置以乙醇（CH3COOH）和乙酸（C2H5OH，俗稱醋酸）為原料，磷鉬酸為催化劑；生產實訓操作由乙酸乙酯合成反應、產品分離兩部分組成[3]；采用DCS 嚴格控制反應釜內溫度為75～90 ℃、反應釜夾套溫度為110～140 ℃、中和釜反應溫度為常溫；乙醇和乙酸的進料流量均為100 L/h[4]。

1.2 裝置流程簡介

將乙酸和乙醇按2 ∶1的比例分別加入原料罐后，由原料泵送至兩個反應釜內，在反應釜內加入催化劑，攪拌混合均勻后，在加熱條件下進行酯化反應；反應生成的氣相物料，進入蒸餾柱粗分后，再進入冷凝器，最后進入冷凝液罐回流至反應釜；經反應釜反應一定時間后，粗乙酸乙酯出料到兩個中和釜中，在中和釜中加入堿性中和液，將粗產物處理至中性后，輕相則進入產品罐小型均化器等待精制。裝置流程圖見圖1。

1.3 裝置的實訓功能

乙酸乙酯生物酯化實訓裝置以反應釜、中和釜構成的雙釜系統為主體，輔助設備包括原料罐、反應釜蒸餾柱和冷凝器、輕重相罐等。在實訓過程中引導學生了解釜式反應器和各單元操作的原理，熟悉工廠操作流程，提高學生感性認識與實踐操作技能，提高綜合能力。

學生進行實訓時，9～10名同學為一組（每個班約6組），每組的實訓時間為2 d，第一天完成反應單元和中和單元的實訓學習（即反應釜操作和中和釜操作兩個工段），第二天進行精餾單元學習；將每個大組再分為兩個小組，進行輪換操作，盡量保證每位同學都能夠接觸各個單元操作。實際操作中，老師及學生都要按時巡查，防止裝置出現“跑、冒、滴、漏”等現象，造成事故發生。

2 實訓裝置的操作

2.1 開車前操作

開車前對本裝置所有設備、管道、閥門、儀表、分析、控溫系統等按照工藝流程圖具體要求，結合專業技術要求進行檢查，各部分均正常的情況下，將乙酸及乙醇通過原料罐進料閥加入原料罐（到其容積2/3處），然后將冷卻水的進水總管與實操場地水龍頭相連、出水總管接入下水道，開啟公用工程的冷卻循環系統。

2.2 反應釜和中和釜單元操作

乙酸乙酯生物酯化實訓裝置的操作單元是整個裝置的核心部分，也是學生動手操作的主要工段。整個工段分為兩個單元，即反應釜單元和中和釜單元，其中，反應釜單元包括反應加料、反應控制、反應回流和物料出料四個部分。具體操作步驟詳見圖2。

圖2 反應釜和中和釜單元操作圖

2.3 停車操作

按照以下順序關閉設備：反應釜，中和釜，導熱油膨脹槽加熱系統，最后關閉導熱油泵；當反應釜中的液體溫度至常溫時，依次關閉冷凝水閥門，冷卻水泵和攪拌器。

2.4 正常操作注意事項

（1）反應系統應注意裝置加熱情況。加熱系統開度過大，會增加反應釜的蒸發量，從而引起系統壓力上升，若開度過小，系統則缺少蒸發冷凝液。

（2）用自來水進行系統試漏檢驗時，加水速度要慢，同時必須打開高點排氣閥，時刻注意系統壓力，禁止超壓。

（3）為防止出現干燒損害設備的情況發生，操作人員必須通過導熱油視鏡觀察到導熱油后，才能開啟導熱油電加熱器。

3 生物酯化實訓教學改革

3.1 引入化工模擬軟件改進教學方法

在裝置實踐過程中，同學們對實驗裝置的流程處于一知半解的狀態，只能通過機械強記的方式進行按部就班的操作，實踐操作結束后會在較短時間內遺忘，無法較好地提升實踐能力和動手能力，因此采取增加Aspen Plus 模擬現場酯化裝置流程的方式改進教學環節，加深學生對工藝流程的認識，更加容易掌握物料走向、原料配比、物料衡算及能量衡算等。學生可以隨意改變操作參數，增強自主探究能力，培養學生學習理論知識后的實踐創造性。

3.2 改變學生眼高手低的狀況

在實驗室的實驗教學相對簡單，對于一些優秀學生沒有挑戰性，覺得千篇一律不屑于動手。學院會組織學生前往企業認識實習或者生產實習，受限于企業的安全生產和經濟效益，學生只能“走馬觀花”旅游式學習，最多認識裝置的布局、形狀等外在因素，非熟練操作人員無法進入現場操作，因為石油化工企業存在眾多不可預判的安全隱患，為了學生生命安全及企業的生產安全，眾多作業環境都嚴禁學生進入，造成學生在企業實習實訓根本沒有機會動手操作。生物酯化實訓裝置將工廠移進課堂，學生可以“真槍實彈”地動手操作，操作過程必然遇到各種各樣的問題，通過自主觀察、學習并動手得以解決，學習成就感油然而生。本課程的開設得到同學們的一致認可，極大地提高了學生的動手能力，比工廠實習只是過過眼癮的效果好很多，與實驗教學的復雜性不可同日而語，改變學生“眼高手低”的不足，使他們的實際操作能力進一步提升，為將來進入企業較快適應崗位職責奠定牢固的基礎。

3.3 為開放性實驗室提供了條件

乙酸乙酯生物酯化實驗是一個典型的設計性、研究性的綜合實驗。在實訓過程中，“以學生為中心，教師做引導”為主要上課方式，鼓勵學生先自行查閱乙酸乙酯的生產方式、規模和特點，簡要了解乙酸乙酯合成工藝的發展趨勢，各個單元的原料輔料規格，生產裝置各個工段的注意事項，“三廢”處理工藝及綜合利用[5]。再結合教師的講解，不斷促使學生產生創新性想法，并在校內為他們提供條件，驗證該想法的可行性和正確性。開放實驗室給學生提供了一個寬松、自由的學習環境，使學生自主實踐的能力極大加強，也為學校的科研和大學生科技創新提供研究平臺。

3.4 提高學生綜合素質

應用型人才的培養與支持地方區域經濟發展是我校的辦學定位，也是支持學校長期建設與發展的生命線。作為應用型高校，根本任務是培養具有較強實際動手能力的技能型人才，而實訓是培養此能力的直接方式。傳統實驗能夠鞏固學生的理論知識和實驗能力，但無法提升學生的實際操作能力，更無法實現學生對裝置故障發現、分析以及處理能力等綜合素質的培養。實訓教學可以很好地彌補這一缺陷，乙酸乙酯生物酯化實驗是一個交叉性特點明顯的實訓課程，對能源化工、過程裝備、過程控制、機械結構等均有涉及，可以培養能夠從事“行業多樣性和領域多樣性”的優秀學生，真正達到工學結合的效果，為進入企業打下良好的基礎。

4 結束語

乙酸乙酯生物酯化實訓裝置為我校提供了一個很好的實訓操作平臺，將生產現場搬入學校，使學生近距離接觸化工廠的真實環境，能有效提高學生動手能力和分析、解決問題能力。實訓過程是一個不斷發現問題和思考的過程，提高學生綜合能力的同時，教師的教學方法和理論知識也在實時更新。學校如能充分利用此套實訓裝置，采用線上預習、線下實訓相結合的方式，將會使學生的學習得到進一步延伸，滿足學校特色專業建設的需要。