“化工分离技术”反应精馏案例式教学探索

林静，王方阔，董雄辎，蔡文洁

（合肥师范学院化学与化学工程学院，安徽 合肥 230601）

“化工分离技术”是化学工程与工艺专业课程体系的重要组成部分，主要任务为研究多种分离纯化技术的单元操作过程、原理与工程应用，揭示化工分离过程变化的规律[1-3]。目前，高等教育专业课程教学中，仍然以单向灌输为主，传统课堂依赖教材与参考书来构建知识框架，教师的主导地位使得学生个性与创造力发展受限。在人工智能与专业模拟软件普及的大趋势下，利用信息化手段辅助理论教学正是对教师智能软件运用能力的倒逼。

化工模拟软件采用以软代硬、以虚代实的模式呈现出化工场景多变的特点。模拟仿真训练从化工思维养成、实践经验与优化方法等方面推进理论知识向实案化趋近，是化工专业理论课教学的重要辅助手段。Aspen Plus软件是国际上通用性较强的化工流程模拟软件，不仅可以应用数学方程描述反应器、精馏塔、交换器、泵、压缩机及其他装置的操作，也适用于化工工艺设计和优化，计算流程成本等[4]。Wankat等[5]较早报道了可以使用Aspen Plus软件研究化工分离技术。Ghasem等[6]在教学中基于该软件设计工艺装置，并进行理论计算，提高了学生的实践能力。Taimoor等[7]通过软件进行了六个仿真实验来帮助学生深刻理解化工理论。Aspen Plus软件在我国化工类科研院所中也得到了广泛应用，刘欢等[8]将该软件贯穿分离工程各章节的教学活动中，提高了学生解决实际化工问题的能力。吕燕[9]选取苯加氢合成环己烷工艺流程为例，使“化工分离技术”课程教学提质增效。

本文介绍了“化工分离技术”课程中反应精馏章节教学内容的建设和实施过程。通过项目式学习（Project-Based Learning，简称PBL），引入实际反应精馏案例，辅助Aspen Plus软件帮助学生选择相应的热力学模型并确定合适的操作条件，基于成果导向（Outcome Based Education，OBE）教学理念，构建可以考查学生知识掌握、自主学习、团队合作与分析探究能力的多元化教学评价体系，最终达到“应用、分析、评价、创造”的高阶教育目标。

1 教师项目导入

通过前面章节的学习，学生了解了多组分精馏的流程与原理，而反应精馏是精馏技术中的特殊领域。为了提高分离效率与反应转化率，反应精馏将化学反应与蒸馏相耦合。教师通过长江雨课堂线上平台利用自制微课、在线精品课程与ppt等向学生生动阐述反应精馏的类型、流程与过程特点。反应精馏是化学反应与精馏操作相互促进又相互限制的过程，是化工过程强化概念的成功体现。教师向学生讲解含有催化剂的反应精馏中催化剂的安装位置。为避免精馏塔内液泛现象，催化剂颗粒须用金属丝网紧密包裹，催化剂的填充段放在精馏塔内反应物浓度最大的区域来构成反应区。通过动画展示向学生演示催化剂的装填方式，让学生有直观的了解。

以甲基叔丁基醚（MTBE）的催化反应精馏为例，希望沸点最高的MTBE迅速离开反应区，反应产物被连续分离移走，反应不断向产物方向移动，最大限度提高反应转化率，同时要采出多于化学计量比的原料甲醇，防止甲醇生成副产物二甲醚，因此，催化剂须装在精馏塔中部，确保反应精馏塔有充足的精馏段与提馏段的空间来分离过量的原料甲醇与目的产物MTBE，如图1。

图1 甲基叔丁基醚反应精馏塔

教师通过动画、微课与ppt课件等形式，将甲基叔丁基醚反应精馏的强化传质、提高收率与化学平衡限制等理论进行讲解，使学生理解反应精馏的分离优势。化学反应与精馏传质过程的相互作用使得反应精馏的控制策略比普通精馏复杂。过程控制方案应确保塔顶冷凝器与塔釜再沸器液位稳定，同时保证产物的纯度要求，因此需要进行自由度分析以选择合适的操作变量与被控变量，搭建完整的工艺控制系统，然后再进行操作条件的模拟优化。

在此基础上，引出实际工程项目，即甲基叔戊基醚的醚化反应精馏过程的工艺设计。甲基叔戊基醚整个工艺流程如图2所示[10]，合成原料为甲醇和异戊烯，催化剂为酸性阳离子树脂催化剂，工艺流程包含醚化反应精馏过程与甲醇回收过程，其中C1精馏塔为反应精馏塔，甲醇与含异戊烯的C5混合物两股物料进料，高沸点产物从塔底流出，需要学生针对C1反应精馏工段进行工艺设计与建模。

图2 甲基叔戊基醚生产流程

2 学生项目式学习过程

项目式学习，即学生通过对具体问题的探究，从中获取知识的教学方法[11]。不同于传统的记忆模式，项目化学习注重学生解决真实世界中的复杂问题，培养学生高阶思维与能力。由于学生面对的是实际化工生产中的问题，因此可以提高学习动力，激发学习兴趣。在项目化学习过程中，能更好地发挥主观能动性与团队协作能力。对于教师，项目化学习可以促进教师学习成长，同时避免教学懈怠心理，使教育生活有常新之感。如上所述，项目式学习是以创造性问题解决能力为导向，以项目化学习的实践与研究为着力点，避免记忆性的刷题，鼓励学生对一个具体的实际工业项目进行完整的分析，给学生知识学习成就、知识深度、知识获取速度、知识总结等方面带来益处。学生进行项目式学习的具体步骤如图3。

图3 项目式学习具体步骤

2.1 文献调研

教师提出甲基叔戊基醚反应精馏案例，引导学生围绕问题展开思考与讨论。全班分成7个小组，每小组7～9人。各小组通过调研文献了解甲基叔戊基醚的分子结构与物理化学性质，以及醚化反应原理、国内外生产工艺发展、反应精馏工艺、醚化反应模型建立等知识。

2.2 任务分析

案例分析需要以学科知识为基础，学生需要掌握关于多组分精馏的理论知识，才能进行案例设计。因此需要教师根据学生需求，将长江雨课堂线上化工分离课程教学资源进行分发，学生认真学习，加深理解。教师确定项目目标包括甲基叔戊基醚时均产量、产物纯度、混合器操作压力、操作温度，反应精馏塔设定参数包括尺寸、塔板数量、压降等，学生分析项目任务。

2.3 模型确定

热力学性质和流体相平衡对化工工艺设计和生产至关重要。各小组需要确定热力学模型对甲醇与异戊烯混合物两股进料进行相平衡、管道流体流动阻力、热力学熵值计算。甲基叔戊基醚醚化反应精馏塔内反应体系为非极性，需要利用活度系数方程，在Aspen Plus模型数据库选定NRTL液相活度系数模型。

2.4 流程设计

学生通过Aspen Plus进行过程模拟，首先是基础单元建模，包括反应精馏塔、预反应器与混合器。预反应器为两个搅拌式反应釜，两股物料混合均匀之后进入反应精馏塔，同时循环甲醇进入反应精馏塔进行反应，产物从塔釜采出，醚化反应精馏流程如图4。

图4 甲基叔戊基醚醚化反应精馏流程

2.5 条件模拟

学生在确定反应精馏流程基础上，在保证产品产量与纯度的同时，降低能耗，确定最优参数，即通过Aspen Plus模拟不同回流比与再沸比对再沸器与冷凝器能耗的影响。在Aspen Plus软件中，控制回流比数值，模拟回流比与再沸器、冷凝器能耗的关系，如图5，再沸器与冷凝器的能耗随着回流比增加而增加，当回流比为固定值时调整再沸比数值，能耗与再沸比亦呈正相关，经调整，可以确定最优再沸比与回流比数值。

图5 （a）回流比（b）再沸比与能耗的关系

2.6 项目总结

项目总结报告控制在2 000字以内，内容包括标题、引言、项目目标、理论模型、操作条件、结果与结论以及参考文献。小组内随机抽取学生进行ppt汇报，时间控制在8 min以内。

3 教学评价

项目式学习的目的为锻炼学生用基本理念解决实际问题的能力，基于OBE教学理念[12]，从教学目标与教学活动逐个环节逆序推进，形成化工分离技术反应精馏多元化教学评价体系。与静态结构性评价不同，多元化过程评价是对学习过程的实践与综合能力进行实时、动态的系统评价，如图6。

图6 教学评价内容

3.1 计划与框架评价

通过具体反应精馏案例，培养学生的系统思维，提高学生整体工程设计能力，即通过教师提出的反应精馏案例有目的地制定相关计划，并寻找解决方法。利用Aspen Plus构建虚拟仿真的反应精馏项目环境，采用化工专业技能梳理项目内容，通过小组合作，培养学生沟通技能与团队协作能力。关于甲基叔戊基醚物化性质等未知领域，也能通过自主学习来加深了解。教师通过学生文献总结水平、项目计划合理性与Aspen Plus软件使用能力等方面给出相应评价。

3.2 过程与阶段评价

通过设计甲基叔戊基醚醚化反应精馏塔，学生使用Aspen Plus软件进行热力学模型计算、塔设备工艺流程设计与操作条件优化，项目式实践过程的学习内容包括项目Aspen Plus软件资源利用、相关热力学模型理论知识储备与操作条件调整等方面。通过Aspen Plus对工艺过程的动态模拟，对操作条件包括回流比与再沸比的阶跃扰动，分析不同控制结构下反应精馏流程的运行效果。教师关注学习进度并及时答疑，师生与生生合作探究、互学互教，教师根据学生理论计算正确性、数据完整性、逻辑性、团队协作分工合理性以及学生情感、态度等方面给予客观评价。

3.3 结果与总结评价

通过反应精馏塔的设计，学生具备了处理实践工程案例的能力。针对应用问题，学生首先要查阅文献，了解产物的物化性质，进而了解产物的生产工艺流程，分析现有流程的优缺点，进而确定生产工艺，通过Aspen Plus热力学计算，确定反应过程的热力学模型，再在软件中设计绘制反应精馏工艺流程图，最后通过仿真模拟优化过程参数，最后形成书面总结材料（包括可行性报告、设计说明书、图纸、优化计算结果与模拟程序），并以ppt汇报的形式对项目进行归纳总结。结果与总结评价包含总结报告、ppt汇报与小组讨论，权重比为5∶3∶2。

4 结束语

本文描述了“化工分离技术”课程中反应精馏的教学实践案例，通过项目式学习，引入甲基叔戊基醚醚化反应精馏流程设计具体案例，学生借助Aspen Plus模拟软件进行反应精馏工段设计，利用模拟软件使学生熟悉仿真环境，深度理解反应精馏传质过程的平衡条件、热力学模型的确定与反应精馏设备的选择，进而在降低能耗的基础上，通过软件模拟不同操作条件下的能耗情况，确立最优参数。项目式学习阶段，贯穿了成果导向的多元化评价，科学实践与学科交叉的理念在学习与评价过程中得到了较好的体现。