新工科背景下化工过程模拟实验的教学探究*

李 静，王克良，陈定梅，李 松，缪应菊，叶 昆

(1 六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004；2 贵州省煤炭洁净利用重点实验室，贵州 六盘水 553004；3 中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北 任丘 062550)

随着现代工业的快速发展，国家从战略层面对包括化学工程与工艺专业在内的众多工科专业提出了“新工科”的建设要求，再一次强化了工程教育改革的重要性，先后形成了一系列的行动路线[1-4]。与之前的培养模式相比，新工科建设更强调采用新体系、新思路、学科交叉融合培养创新型复合人才[5-6]。

我国高度重视低碳绿色工业与环境污染治理，中国政府已于2020年向世界庄严承诺：力争在2030年实现“碳达峰”，并于2060年实现“碳中和”[7]。六盘水地区产业结构包括煤炭、电力、冶金、生物制药等，是西南地区重要的能源工业基地，为更好的服务于地方产业与人才培养，符合国家战略目标，结合区域特色，我校化工专业开设了化工过程模拟实验，以节能减排和碳中和为目标，开发了一系列和生产实际相关的低碳绿色化工过程模拟实验项目。以期培养学生能够运用现代计算机软件解决化工过程中复杂工程问题的能力。我们始终以低碳、节能、高效产出为教学理念，贯彻在所有的实验项目中。

下面我们以实验项目“含甲乙酮的工业废水的高效分离纯化与节能工艺”为例进行了教学研究。包括实验前的预习、实验执行、数据后处理、撰写实验报告等过程。

1 实验项目

1.1 实验内容

甲乙酮是一种非常常见的化工原料，经济价值很高[8-9]。对于生产过程中产生的含甲乙酮的工业废水，如果直接排放掉，不仅会造成经济损失，还会对环境造成污染[10-11]。因此对工业废水中甲乙酮的分离回收不仅具有经济价值，还有环保意义。然而，甲乙酮和水在常压下会形成共沸混合物，甲乙酮的共沸组成为0.9(质量分数)，普通精馏工艺有精馏边界的局限，最高可得质量分数为0.9的甲乙酮产品，无法实现高效分离，不符合高效产出的教学理念；采用特殊精馏虽然可以得到高纯度的甲乙酮，但无论是萃取精馏还是变压精馏工艺，均需要双塔工艺，还会或引入第三高沸点重组分、或有高操作压力的精馏塔存在，不符合低碳与节能的教学理念。而本实验以甲乙酮含量为20wt%的工业废水为实验对象，以正辛烷为萃取剂，采用萃取-精馏组合工艺对其进行高效回收分离，其中甲乙酮的质量纯度不低于0.98，萃取剂正辛烷的质量纯度不低于0.999，水的质量纯度不低于0.998，通过工艺条件的不断调试优化，得出满足分离要求的工艺参数。然后对该工艺进行热集成节能改造，利用产品的热量对精馏塔的进料进行预热，达到降低工艺总能耗的目的。对节能改造前后的总能耗进行评价与分析，定量识别节能降耗的效果。

1.2 课前预习

在上实验课前，要求学生先对此次实验项目先进行国家政策、行业现状及学术文献的查阅，内容包括国家“双碳”目标的背景，甲乙酮的用途、含甲乙酮工业废水主要来源分析与分离回收的常用技术，通过查阅这些资料，完成实验报告的第一部分-实验背景及意义。

1.3 实验过程

通过前期的预习，学生对含甲乙酮工业废水的分离回收的多种技术有了很清晰的认识，我们在实验课上采用化工过程模拟软件进行萃取-精馏分离工艺的模拟。含甲乙酮工业废水的萃取-精馏组合工艺流程图如图1所示。甲乙酮-水混合废液从塔顶(F流股)进入多级连续萃取塔，萃取剂正辛烷(S流股)从塔底进入萃取塔，原料废液和萃取剂正辛烷在萃取塔内发生连续逆流接触和传质萃取。从萃取塔塔底得到的萃余液(R流股)为高纯度的水，而从塔顶(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作为萃取剂回收精馏塔的原料液，在萃取剂回收精馏塔中实现萃取剂的回收利用，从精馏塔塔顶和塔底馏出的分别为高纯度的甲乙酮(B流股)和萃取剂正辛烷，萃取剂正辛烷(S1流股)经冷却后循环利用。该实验中各模块初始参数的设置列于表1中。

图1 含甲乙酮工业废水的萃取-精馏分离工艺流程图

表1 全流程模拟的初始参数

在实验过程中，采用灵敏度分析工具，分别对萃取塔和萃取剂回收塔的参数进行优化，其中萃取塔的参数优化是以萃余液中水的质量分数为目标变量，萃取级数、操作温度及萃取剂的用量为操作变量进行不断调试优化，最终实现水的质量纯度不低于0.998；萃取剂回收塔的参数优化是以塔顶甲乙酮和塔底正辛烷的质量分数为目标变量，塔板数、回流比及进料位置为操作变量进行不断调试优化，最终实现甲乙酮的质量纯度不低于0.98，萃取剂正辛烷的质量纯度不低于0.999。最终得出满足上述分离要求的工艺参数。

1.4 实验改进—节能降耗

随着我国“双碳”目标的提出，节能降耗是绿色化工过程的关键，也是本实验“低碳、节能、高效产出”教学理念的核心要求。因此，我们进一步对实验内容的设计进行改革，提出了在原有工艺流程中设置中间换热器进行能量的集成改造，以期达到节能降耗的目的，节能改造的工艺流程图如图2所示。

图2 含甲乙酮工业废水分离的节能改造工艺流程图

萃取剂回收塔塔底正辛烷的温度超过120 ℃，需要冷却后才能作为萃取剂进入萃取塔循环利用(S流股)，而该精馏塔的进料(E流股)温度较低(具体温度受萃取塔最佳操作温度影响)，E流股的温度提高可大幅减少萃取剂回收塔的能耗，因此节能改造的工艺流程为利用循环萃取剂正辛烷的热量对精馏塔的进料(E流股)进行预热，达到降低萃取剂回收塔能耗和萃取剂正辛烷(S1流股)冷却能耗的双重目的。对节能改造前后的总能耗进行评价与分析，定量识别节能降耗的效果。

经过节能改造后，不仅降低了能耗，而且提高了能量利用率，还减少了经济成本又提高了经济效益，本项目中运用了多种分析手段，增加了该工艺的复杂程度与深度，即符合本课程低碳、节能、高效产出为教学理念，又满足“金课”中高阶性、创新性与挑战度的“两性一度”要求；对工艺流程的不断调试优化与创新性的节能改造，也融入勇于探索的创新精神和精益求精的大国工匠精神的课程思政元素。这些对于新工科背景下学生工程实践能力的培养具有一定的借鉴意义。

1.5 实验报告

经过全流程模拟，采用灵敏度分析工具对萃取塔和萃取剂回收塔的参数进行了调优。需要学生在实验报告中绘制影响因素对分离效果的曲线图，并对结果进行分析，得出最佳工艺条件。此外，增加学生对节能改造前后的总能耗的比较与分析，定量识别节能降耗的效果。需要完成该工艺原理流程图的绘制。最后，撰写本次实验总结，包括对整个分离工艺的影响参数总结、如何提高分离纯度、哪些因素能够降低能耗等关键问题。

2 结 语

新工科建设对于学生的培养提出了更高的要求，对接国家“双碳”目标，我们在化工过程模拟实验教学中始终向学生强调“低碳、节能、高效产出”的理念。基于“设计/开发解决方案”与“使用现代工具”的工程教育要求，结合生产实际将“含甲乙酮的工业废水的高效分离纯化与节能工艺”设置为复杂工程问题的任务式训练项目，体现了“金课”中高阶性、创新性与挑战度的“两性一度”要求；对该工艺的深度分析与创新性的节能改造，也融入勇于探索的创新精神和精益求精的大国工匠精神的课程思政元素；这种结合生产实际的化工过程模拟类实验项目，既巩固了相关的课堂理论知识，又培养了学生创新精神和工程实践能力，让学生能够深刻体会到化学工业的生产过程是一个需要解决多变量优化的复杂工程问题。