李 靜，王克良，陳定梅，李 松，繆應(yīng)菊，葉 昆

(1 六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2 貴州省煤炭潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 六盤水 553004；3 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘 062550)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)家從戰(zhàn)略層面對(duì)包括化學(xué)工程與工藝專業(yè)在內(nèi)的眾多工科專業(yè)提出了“新工科”的建設(shè)要求，再一次強(qiáng)化了工程教育改革的重要性，先后形成了一系列的行動(dòng)路線[1-4]。與之前的培養(yǎng)模式相比，新工科建設(shè)更強(qiáng)調(diào)采用新體系、新思路、學(xué)科交叉融合培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合人才[5-6]。

我國(guó)高度重視低碳綠色工業(yè)與環(huán)境污染治理，中國(guó)政府已于2020年向世界莊嚴(yán)承諾：力爭(zhēng)在2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，并于2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”[7]。六盤水地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)包括煤炭、電力、冶金、生物制藥等，是西南地區(qū)重要的能源工業(yè)基地，為更好的服務(wù)于地方產(chǎn)業(yè)與人才培養(yǎng)，符合國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，結(jié)合區(qū)域特色，我校化工專業(yè)開設(shè)了化工過程模擬實(shí)驗(yàn)，以節(jié)能減排和碳中和為目標(biāo)，開發(fā)了一系列和生產(chǎn)實(shí)際相關(guān)的低碳綠色化工過程模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以期培養(yǎng)學(xué)生能夠運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件解決化工過程中復(fù)雜工程問題的能力。我們始終以低碳、節(jié)能、高效產(chǎn)出為教學(xué)理念，貫徹在所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。

下面我們以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“含甲乙酮的工業(yè)廢水的高效分離純化與節(jié)能工藝”為例進(jìn)行了教學(xué)研究。包括實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)執(zhí)行、數(shù)據(jù)后處理、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等過程。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

甲乙酮是一種非常常見的化工原料，經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高[8-9]。對(duì)于生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含甲乙酮的工業(yè)廢水，如果直接排放掉，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[10-11]。因此對(duì)工業(yè)廢水中甲乙酮的分離回收不僅具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還有環(huán)保意義。然而，甲乙酮和水在常壓下會(huì)形成共沸混合物，甲乙酮的共沸組成為0.9(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，普通精餾工藝有精餾邊界的局限，最高可得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9的甲乙酮產(chǎn)品，無法實(shí)現(xiàn)高效分離，不符合高效產(chǎn)出的教學(xué)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(huì)或引入第三高沸點(diǎn)重組分、或有高操作壓力的精餾塔存在，不符合低碳與節(jié)能的教學(xué)理念。而本實(shí)驗(yàn)以甲乙酮含量為20wt%的工業(yè)廢水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以正辛烷為萃取劑，采用萃取-精餾組合工藝對(duì)其進(jìn)行高效回收分離，其中甲乙酮的質(zhì)量純度不低于0.98，萃取劑正辛烷的質(zhì)量純度不低于0.999，水的質(zhì)量純度不低于0.998，通過工藝條件的不斷調(diào)試優(yōu)化，得出滿足分離要求的工藝參數(shù)。然后對(duì)該工藝進(jìn)行熱集成節(jié)能改造，利用產(chǎn)品的熱量對(duì)精餾塔的進(jìn)料進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到降低工藝總能耗的目的。對(duì)節(jié)能改造前后的總能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析，定量識(shí)別節(jié)能降耗的效果。

1.2 課前預(yù)習(xí)

在上實(shí)驗(yàn)課前，要求學(xué)生先對(duì)此次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目先進(jìn)行國(guó)家政策、行業(yè)現(xiàn)狀及學(xué)術(shù)文獻(xiàn)的查閱，內(nèi)容包括國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的背景，甲乙酮的用途、含甲乙酮工業(yè)廢水主要來源分析與分離回收的常用技術(shù)，通過查閱這些資料，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的第一部分-實(shí)驗(yàn)背景及意義。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

通過前期的預(yù)習(xí)，學(xué)生對(duì)含甲乙酮工業(yè)廢水的分離回收的多種技術(shù)有了很清晰的認(rèn)識(shí)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)課上采用化工過程模擬軟件進(jìn)行萃取-精餾分離工藝的模擬。含甲乙酮工業(yè)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(jìn)入多級(jí)連續(xù)萃取塔，萃取劑正辛烷(S流股)從塔底進(jìn)入萃取塔，原料廢液和萃取劑正辛烷在萃取塔內(nèi)發(fā)生連續(xù)逆流接觸和傳質(zhì)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(shí)現(xiàn)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(jīng)冷卻后循環(huán)利用。該實(shí)驗(yàn)中各模塊初始參數(shù)的設(shè)置列于表1中。

圖1 含甲乙酮工業(yè)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(shù)

在實(shí)驗(yàn)過程中，采用靈敏度分析工具，分別對(duì)萃取塔和萃取劑回收塔的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其中萃取塔的參數(shù)優(yōu)化是以萃余液中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為目標(biāo)變量，萃取級(jí)數(shù)、操作溫度及萃取劑的用量為操作變量進(jìn)行不斷調(diào)試優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)水的質(zhì)量純度不低于0.998；萃取劑回收塔的參數(shù)優(yōu)化是以塔頂甲乙酮和塔底正辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為目標(biāo)變量，塔板數(shù)、回流比及進(jìn)料位置為操作變量進(jìn)行不斷調(diào)試優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)甲乙酮的質(zhì)量純度不低于0.98，萃取劑正辛烷的質(zhì)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(shù)。

1.4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)—節(jié)能降耗

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，節(jié)能降耗是綠色化工過程的關(guān)鍵，也是本實(shí)驗(yàn)“低碳、節(jié)能、高效產(chǎn)出”教學(xué)理念的核心要求。因此，我們進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)進(jìn)行改革，提出了在原有工藝流程中設(shè)置中間換熱器進(jìn)行能量的集成改造，以期達(dá)到節(jié)能降耗的目的，節(jié)能改造的工藝流程圖如圖2所示。

圖2 含甲乙酮工業(yè)廢水分離的節(jié)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(jìn)入萃取塔循環(huán)利用(S流股)，而該精餾塔的進(jìn)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(jié)能改造的工藝流程為利用循環(huán)萃取劑正辛烷的熱量對(duì)精餾塔的進(jìn)料(E流股)進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)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(duì)節(jié)能改造前后的總能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析，定量識(shí)別節(jié)能降耗的效果。

經(jīng)過節(jié)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(jīng)濟(jì)成本又提高了經(jīng)濟(jì)效益，本項(xiàng)目中運(yùn)用了多種分析手段，增加了該工藝的復(fù)雜程度與深度，即符合本課程低碳、節(jié)能、高效產(chǎn)出為教學(xué)理念，又滿足“金課”中高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度的“兩性一度”要求；對(duì)工藝流程的不斷調(diào)試優(yōu)化與創(chuàng)新性的節(jié)能改造，也融入勇于探索的創(chuàng)新精神和精益求精的大國(guó)工匠精神的課程思政元素。這些對(duì)于新工科背景下學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有一定的借鑒意義。

1.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

經(jīng)過全流程模擬，采用靈敏度分析工具對(duì)萃取塔和萃取劑回收塔的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)優(yōu)。需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中繪制影響因素對(duì)分離效果的曲線圖，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出最佳工藝條件。此外，增加學(xué)生對(duì)節(jié)能改造前后的總能耗的比較與分析，定量識(shí)別節(jié)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(shí)驗(yàn)總結(jié)，包括對(duì)整個(gè)分離工藝的影響參數(shù)總結(jié)、如何提高分離純度、哪些因素能夠降低能耗等關(guān)鍵問題。

2 結(jié) 語

新工科建設(shè)對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)提出了更高的要求，對(duì)接國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，我們?cè)诨み^程模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中始終向?qū)W生強(qiáng)調(diào)“低碳、節(jié)能、高效產(chǎn)出”的理念?；凇霸O(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案”與“使用現(xiàn)代工具”的工程教育要求，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際將“含甲乙酮的工業(yè)廢水的高效分離純化與節(jié)能工藝”設(shè)置為復(fù)雜工程問題的任務(wù)式訓(xùn)練項(xiàng)目，體現(xiàn)了“金課”中高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度的“兩性一度”要求；對(duì)該工藝的深度分析與創(chuàng)新性的節(jié)能改造，也融入勇于探索的創(chuàng)新精神和精益求精的大國(guó)工匠精神的課程思政元素；這種結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的化工過程模擬類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既鞏固了相關(guān)的課堂理論知識(shí)，又培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力，讓學(xué)生能夠深刻體會(huì)到化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過程是一個(gè)需要解決多變量?jī)?yōu)化的復(fù)雜工程問題。