乙酸乙酯生物酯化实训教学研究

苗鹏杰，王海龙，陈自娇*，司 羽，郭 勤

（新疆理工学院，新疆阿克苏 843100）

实践教学是应用型高等院校整个教学活动中的重要环节，是巩固理论知识、加深理论认识的有效途径，是培养学生创新能力和提高动手操作能力的重要平台。传统的理论教学侧重传授基本原理和基础规律，实践教学则具有直观性和开放性，更侧重于展示、验证和拓展理论知识。尤其像我学院能源化工这种特色鲜明的专业，更要求学生具备对实践现场的掌握、实操能力，及发现问题，分析问题、解决问题的逻辑能力。教育部多次指出实践教学依然是高校人才培养中的薄弱环节，距离培养拔尖创新人才还有不小的距离，因此提高实验装置的实训教学有益于实践教学水平的提高。乙酸乙酯是应用广泛的基础有机化工原料之一，其生产装置是石化企业制备酯类产品的一种实用装置[1]。我校于2018年购置了一套乙酸乙酯生物酯化化工专业技能操作实训装置，主要用于能源化工工程和过程装备及控制工程两个专业本科实训教学工作。

1 生物酯化实训装置概述

1.1 乙酸乙酯装置的工业背景

乙酸乙酯因其良好的溶解性和快干性，被广泛用作工业溶剂和有机化工原料，例如在工业生产中被用作黏合剂、生产涂料、氯化橡胶、乙基纤维、人造革等的有机溶剂，在医药和有机酸生产中作为提取剂，其拥有广阔的发展前景。目前，乙酸乙酯的工业生产工艺主要有：乙酸乙酯酯化法、乙醛缩合法、乙醇一步法[2]。综合考虑，本装置采用国内常用的乙酸乙酯直接酯化法，反应原理为：

本装置以乙醇（CH3COOH）和乙酸（C2H5OH，俗称醋酸）为原料，磷钼酸为催化剂；生产实训操作由乙酸乙酯合成反应、产品分离两部分组成[3]；采用DCS 严格控制反应釜内温度为75～90 ℃、反应釜夹套温度为110～140 ℃、中和釜反应温度为常温；乙醇和乙酸的进料流量均为100 L/h[4]。

1.2 装置流程简介

将乙酸和乙醇按2 ∶1的比例分别加入原料罐后，由原料泵送至两个反应釜内，在反应釜内加入催化剂，搅拌混合均匀后，在加热条件下进行酯化反应；反应生成的气相物料，进入蒸馏柱粗分后，再进入冷凝器，最后进入冷凝液罐回流至反应釜；经反应釜反应一定时间后，粗乙酸乙酯出料到两个中和釜中，在中和釜中加入碱性中和液，将粗产物处理至中性后，轻相则进入产品罐小型均化器等待精制。装置流程图见图1。

1.3 装置的实训功能

乙酸乙酯生物酯化实训装置以反应釜、中和釜构成的双釜系统为主体，辅助设备包括原料罐、反应釜蒸馏柱和冷凝器、轻重相罐等。在实训过程中引导学生了解釜式反应器和各单元操作的原理，熟悉工厂操作流程，提高学生感性认识与实践操作技能，提高综合能力。

学生进行实训时，9～10名同学为一组（每个班约6组），每组的实训时间为2 d，第一天完成反应单元和中和单元的实训学习（即反应釜操作和中和釜操作两个工段），第二天进行精馏单元学习；将每个大组再分为两个小组，进行轮换操作，尽量保证每位同学都能够接触各个单元操作。实际操作中，老师及学生都要按时巡查，防止装置出现“跑、冒、滴、漏”等现象，造成事故发生。

2 实训装置的操作

2.1 开车前操作

开车前对本装置所有设备、管道、阀门、仪表、分析、控温系统等按照工艺流程图具体要求，结合专业技术要求进行检查，各部分均正常的情况下，将乙酸及乙醇通过原料罐进料阀加入原料罐（到其容积2/3处），然后将冷却水的进水总管与实操场地水龙头相连、出水总管接入下水道，开启公用工程的冷却循环系统。

2.2 反应釜和中和釜单元操作

乙酸乙酯生物酯化实训装置的操作单元是整个装置的核心部分，也是学生动手操作的主要工段。整个工段分为两个单元，即反应釜单元和中和釜单元，其中，反应釜单元包括反应加料、反应控制、反应回流和物料出料四个部分。具体操作步骤详见图2。

图2 反应釜和中和釜单元操作图

2.3 停车操作

按照以下顺序关闭设备：反应釜，中和釜，导热油膨胀槽加热系统，最后关闭导热油泵；当反应釜中的液体温度至常温时，依次关闭冷凝水阀门，冷却水泵和搅拌器。

2.4 正常操作注意事项

（1）反应系统应注意装置加热情况。加热系统开度过大，会增加反应釜的蒸发量，从而引起系统压力上升，若开度过小，系统则缺少蒸发冷凝液。

（2）用自来水进行系统试漏检验时，加水速度要慢，同时必须打开高点排气阀，时刻注意系统压力，禁止超压。

（3）为防止出现干烧损害设备的情况发生，操作人员必须通过导热油视镜观察到导热油后，才能开启导热油电加热器。

3 生物酯化实训教学改革

3.1 引入化工模拟软件改进教学方法

在装置实践过程中，同学们对实验装置的流程处于一知半解的状态，只能通过机械强记的方式进行按部就班的操作，实践操作结束后会在较短时间内遗忘，无法较好地提升实践能力和动手能力，因此采取增加Aspen Plus 模拟现场酯化装置流程的方式改进教学环节，加深学生对工艺流程的认识，更加容易掌握物料走向、原料配比、物料衡算及能量衡算等。学生可以随意改变操作参数，增强自主探究能力，培养学生学习理论知识后的实践创造性。

3.2 改变学生眼高手低的状况

在实验室的实验教学相对简单，对于一些优秀学生没有挑战性，觉得千篇一律不屑于动手。学院会组织学生前往企业认识实习或者生产实习，受限于企业的安全生产和经济效益，学生只能“走马观花”旅游式学习，最多认识装置的布局、形状等外在因素，非熟练操作人员无法进入现场操作，因为石油化工企业存在众多不可预判的安全隐患，为了学生生命安全及企业的生产安全，众多作业环境都严禁学生进入，造成学生在企业实习实训根本没有机会动手操作。生物酯化实训装置将工厂移进课堂，学生可以“真枪实弹”地动手操作，操作过程必然遇到各种各样的问题，通过自主观察、学习并动手得以解决，学习成就感油然而生。本课程的开设得到同学们的一致认可，极大地提高了学生的动手能力，比工厂实习只是过过眼瘾的效果好很多，与实验教学的复杂性不可同日而语，改变学生“眼高手低”的不足，使他们的实际操作能力进一步提升，为将来进入企业较快适应岗位职责奠定牢固的基础。

3.3 为开放性实验室提供了条件

乙酸乙酯生物酯化实验是一个典型的设计性、研究性的综合实验。在实训过程中，“以学生为中心，教师做引导”为主要上课方式，鼓励学生先自行查阅乙酸乙酯的生产方式、规模和特点，简要了解乙酸乙酯合成工艺的发展趋势，各个单元的原料辅料规格，生产装置各个工段的注意事项，“三废”处理工艺及综合利用[5]。再结合教师的讲解，不断促使学生产生创新性想法，并在校内为他们提供条件，验证该想法的可行性和正确性。开放实验室给学生提供了一个宽松、自由的学习环境，使学生自主实践的能力极大加强，也为学校的科研和大学生科技创新提供研究平台。

3.4 提高学生综合素质

应用型人才的培养与支持地方区域经济发展是我校的办学定位，也是支持学校长期建设与发展的生命线。作为应用型高校，根本任务是培养具有较强实际动手能力的技能型人才，而实训是培养此能力的直接方式。传统实验能够巩固学生的理论知识和实验能力，但无法提升学生的实际操作能力，更无法实现学生对装置故障发现、分析以及处理能力等综合素质的培养。实训教学可以很好地弥补这一缺陷，乙酸乙酯生物酯化实验是一个交叉性特点明显的实训课程，对能源化工、过程装备、过程控制、机械结构等均有涉及，可以培养能够从事“行业多样性和领域多样性”的优秀学生，真正达到工学结合的效果，为进入企业打下良好的基础。

4 结束语

乙酸乙酯生物酯化实训装置为我校提供了一个很好的实训操作平台，将生产现场搬入学校，使学生近距离接触化工厂的真实环境，能有效提高学生动手能力和分析、解决问题能力。实训过程是一个不断发现问题和思考的过程，提高学生综合能力的同时，教师的教学方法和理论知识也在实时更新。学校如能充分利用此套实训装置，采用线上预习、线下实训相结合的方式，将会使学生的学习得到进一步延伸，满足学校特色专业建设的需要。