林靜，王方闊，董雄輜，蔡文潔

（合肥師范學院化學與化學工程學院，安徽 合肥 230601）

“化工分離技術”是化學工程與工藝專業(yè)課程體系的重要組成部分，主要任務為研究多種分離純化技術的單元操作過程、原理與工程應用，揭示化工分離過程變化的規(guī)律[1-3]。目前，高等教育專業(yè)課程教學中，仍然以單向灌輸為主，傳統(tǒng)課堂依賴教材與參考書來構建知識框架，教師的主導地位使得學生個性與創(chuàng)造力發(fā)展受限。在人工智能與專業(yè)模擬軟件普及的大趨勢下，利用信息化手段輔助理論教學正是對教師智能軟件運用能力的倒逼。

化工模擬軟件采用以軟代硬、以虛代實的模式呈現(xiàn)出化工場景多變的特點。模擬仿真訓練從化工思維養(yǎng)成、實踐經(jīng)驗與優(yōu)化方法等方面推進理論知識向實案化趨近，是化工專業(yè)理論課教學的重要輔助手段。Aspen Plus軟件是國際上通用性較強的化工流程模擬軟件，不僅可以應用數(shù)學方程描述反應器、精餾塔、交換器、泵、壓縮機及其他裝置的操作，也適用于化工工藝設計和優(yōu)化，計算流程成本等[4]。Wankat等[5]較早報道了可以使用Aspen Plus軟件研究化工分離技術。Ghasem等[6]在教學中基于該軟件設計工藝裝置，并進行理論計算，提高了學生的實踐能力。Taimoor等[7]通過軟件進行了六個仿真實驗來幫助學生深刻理解化工理論。Aspen Plus軟件在我國化工類科研院所中也得到了廣泛應用，劉歡等[8]將該軟件貫穿分離工程各章節(jié)的教學活動中，提高了學生解決實際化工問題的能力。呂燕[9]選取苯加氫合成環(huán)己烷工藝流程為例，使“化工分離技術”課程教學提質增效。

本文介紹了“化工分離技術”課程中反應精餾章節(jié)教學內容的建設和實施過程。通過項目式學習（Project-Based Learning，簡稱PBL），引入實際反應精餾案例，輔助Aspen Plus軟件幫助學生選擇相應的熱力學模型并確定合適的操作條件，基于成果導向（Outcome Based Education，OBE）教學理念，構建可以考查學生知識掌握、自主學習、團隊合作與分析探究能力的多元化教學評價體系，最終達到“應用、分析、評價、創(chuàng)造”的高階教育目標。

1 教師項目導入

通過前面章節(jié)的學習，學生了解了多組分精餾的流程與原理，而反應精餾是精餾技術中的特殊領域。為了提高分離效率與反應轉化率，反應精餾將化學反應與蒸餾相耦合。教師通過長江雨課堂線上平臺利用自制微課、在線精品課程與ppt等向學生生動闡述反應精餾的類型、流程與過程特點。反應精餾是化學反應與精餾操作相互促進又相互限制的過程，是化工過程強化概念的成功體現(xiàn)。教師向學生講解含有催化劑的反應精餾中催化劑的安裝位置。為避免精餾塔內液泛現(xiàn)象，催化劑顆粒須用金屬絲網(wǎng)緊密包裹，催化劑的填充段放在精餾塔內反應物濃度最大的區(qū)域來構成反應區(qū)。通過動畫展示向學生演示催化劑的裝填方式，讓學生有直觀的了解。

以甲基叔丁基醚（MTBE）的催化反應精餾為例，希望沸點最高的MTBE迅速離開反應區(qū)，反應產(chǎn)物被連續(xù)分離移走，反應不斷向產(chǎn)物方向移動，最大限度提高反應轉化率，同時要采出多于化學計量比的原料甲醇，防止甲醇生成副產(chǎn)物二甲醚，因此，催化劑須裝在精餾塔中部，確保反應精餾塔有充足的精餾段與提餾段的空間來分離過量的原料甲醇與目的產(chǎn)物MTBE，如圖1。

圖1 甲基叔丁基醚反應精餾塔

教師通過動畫、微課與ppt課件等形式，將甲基叔丁基醚反應精餾的強化傳質、提高收率與化學平衡限制等理論進行講解，使學生理解反應精餾的分離優(yōu)勢?；瘜W反應與精餾傳質過程的相互作用使得反應精餾的控制策略比普通精餾復雜。過程控制方案應確保塔頂冷凝器與塔釜再沸器液位穩(wěn)定，同時保證產(chǎn)物的純度要求，因此需要進行自由度分析以選擇合適的操作變量與被控變量，搭建完整的工藝控制系統(tǒng)，然后再進行操作條件的模擬優(yōu)化。

在此基礎上，引出實際工程項目，即甲基叔戊基醚的醚化反應精餾過程的工藝設計。甲基叔戊基醚整個工藝流程如圖2所示[10]，合成原料為甲醇和異戊烯，催化劑為酸性陽離子樹脂催化劑，工藝流程包含醚化反應精餾過程與甲醇回收過程，其中C1精餾塔為反應精餾塔，甲醇與含異戊烯的C5混合物兩股物料進料，高沸點產(chǎn)物從塔底流出，需要學生針對C1反應精餾工段進行工藝設計與建模。

圖2 甲基叔戊基醚生產(chǎn)流程

2 學生項目式學習過程

項目式學習，即學生通過對具體問題的探究，從中獲取知識的教學方法[11]。不同于傳統(tǒng)的記憶模式，項目化學習注重學生解決真實世界中的復雜問題，培養(yǎng)學生高階思維與能力。由于學生面對的是實際化工生產(chǎn)中的問題，因此可以提高學習動力，激發(fā)學習興趣。在項目化學習過程中，能更好地發(fā)揮主觀能動性與團隊協(xié)作能力。對于教師，項目化學習可以促進教師學習成長，同時避免教學懈怠心理，使教育生活有常新之感。如上所述，項目式學習是以創(chuàng)造性問題解決能力為導向，以項目化學習的實踐與研究為著力點，避免記憶性的刷題，鼓勵學生對一個具體的實際工業(yè)項目進行完整的分析，給學生知識學習成就、知識深度、知識獲取速度、知識總結等方面帶來益處。學生進行項目式學習的具體步驟如圖3。

圖3 項目式學習具體步驟

2.1 文獻調研

教師提出甲基叔戊基醚反應精餾案例，引導學生圍繞問題展開思考與討論。全班分成7個小組，每小組7～9人。各小組通過調研文獻了解甲基叔戊基醚的分子結構與物理化學性質，以及醚化反應原理、國內外生產(chǎn)工藝發(fā)展、反應精餾工藝、醚化反應模型建立等知識。

2.2 任務分析

案例分析需要以學科知識為基礎，學生需要掌握關于多組分精餾的理論知識，才能進行案例設計。因此需要教師根據(jù)學生需求，將長江雨課堂線上化工分離課程教學資源進行分發(fā)，學生認真學習，加深理解。教師確定項目目標包括甲基叔戊基醚時均產(chǎn)量、產(chǎn)物純度、混合器操作壓力、操作溫度，反應精餾塔設定參數(shù)包括尺寸、塔板數(shù)量、壓降等，學生分析項目任務。

2.3 模型確定

熱力學性質和流體相平衡對化工工藝設計和生產(chǎn)至關重要。各小組需要確定熱力學模型對甲醇與異戊烯混合物兩股進料進行相平衡、管道流體流動阻力、熱力學熵值計算。甲基叔戊基醚醚化反應精餾塔內反應體系為非極性，需要利用活度系數(shù)方程，在Aspen Plus模型數(shù)據(jù)庫選定NRTL液相活度系數(shù)模型。

2.4 流程設計

學生通過Aspen Plus進行過程模擬，首先是基礎單元建模，包括反應精餾塔、預反應器與混合器。預反應器為兩個攪拌式反應釜，兩股物料混合均勻之后進入反應精餾塔，同時循環(huán)甲醇進入反應精餾塔進行反應，產(chǎn)物從塔釜采出，醚化反應精餾流程如圖4。

圖4 甲基叔戊基醚醚化反應精餾流程

2.5 條件模擬

學生在確定反應精餾流程基礎上，在保證產(chǎn)品產(chǎn)量與純度的同時，降低能耗，確定最優(yōu)參數(shù)，即通過Aspen Plus模擬不同回流比與再沸比對再沸器與冷凝器能耗的影響。在Aspen Plus軟件中，控制回流比數(shù)值，模擬回流比與再沸器、冷凝器能耗的關系，如圖5，再沸器與冷凝器的能耗隨著回流比增加而增加，當回流比為固定值時調整再沸比數(shù)值，能耗與再沸比亦呈正相關，經(jīng)調整，可以確定最優(yōu)再沸比與回流比數(shù)值。

圖5 （a）回流比（b）再沸比與能耗的關系

2.6 項目總結

項目總結報告控制在2 000字以內，內容包括標題、引言、項目目標、理論模型、操作條件、結果與結論以及參考文獻。小組內隨機抽取學生進行ppt匯報，時間控制在8 min以內。

3 教學評價

項目式學習的目的為鍛煉學生用基本理念解決實際問題的能力，基于OBE教學理念[12]，從教學目標與教學活動逐個環(huán)節(jié)逆序推進，形成化工分離技術反應精餾多元化教學評價體系。與靜態(tài)結構性評價不同，多元化過程評價是對學習過程的實踐與綜合能力進行實時、動態(tài)的系統(tǒng)評價，如圖6。

圖6 教學評價內容

3.1 計劃與框架評價

通過具體反應精餾案例，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維，提高學生整體工程設計能力，即通過教師提出的反應精餾案例有目的地制定相關計劃，并尋找解決方法。利用Aspen Plus構建虛擬仿真的反應精餾項目環(huán)境，采用化工專業(yè)技能梳理項目內容，通過小組合作，培養(yǎng)學生溝通技能與團隊協(xié)作能力。關于甲基叔戊基醚物化性質等未知領域，也能通過自主學習來加深了解。教師通過學生文獻總結水平、項目計劃合理性與Aspen Plus軟件使用能力等方面給出相應評價。

3.2 過程與階段評價

通過設計甲基叔戊基醚醚化反應精餾塔，學生使用Aspen Plus軟件進行熱力學模型計算、塔設備工藝流程設計與操作條件優(yōu)化，項目式實踐過程的學習內容包括項目Aspen Plus軟件資源利用、相關熱力學模型理論知識儲備與操作條件調整等方面。通過Aspen Plus對工藝過程的動態(tài)模擬，對操作條件包括回流比與再沸比的階躍擾動，分析不同控制結構下反應精餾流程的運行效果。教師關注學習進度并及時答疑，師生與生生合作探究、互學互教，教師根據(jù)學生理論計算正確性、數(shù)據(jù)完整性、邏輯性、團隊協(xié)作分工合理性以及學生情感、態(tài)度等方面給予客觀評價。

3.3 結果與總結評價

通過反應精餾塔的設計，學生具備了處理實踐工程案例的能力。針對應用問題，學生首先要查閱文獻，了解產(chǎn)物的物化性質，進而了解產(chǎn)物的生產(chǎn)工藝流程，分析現(xiàn)有流程的優(yōu)缺點，進而確定生產(chǎn)工藝，通過Aspen Plus熱力學計算，確定反應過程的熱力學模型，再在軟件中設計繪制反應精餾工藝流程圖，最后通過仿真模擬優(yōu)化過程參數(shù)，最后形成書面總結材料（包括可行性報告、設計說明書、圖紙、優(yōu)化計算結果與模擬程序），并以ppt匯報的形式對項目進行歸納總結。結果與總結評價包含總結報告、ppt匯報與小組討論，權重比為5∶3∶2。

4 結束語

本文描述了“化工分離技術”課程中反應精餾的教學實踐案例，通過項目式學習，引入甲基叔戊基醚醚化反應精餾流程設計具體案例，學生借助Aspen Plus模擬軟件進行反應精餾工段設計，利用模擬軟件使學生熟悉仿真環(huán)境，深度理解反應精餾傳質過程的平衡條件、熱力學模型的確定與反應精餾設備的選擇，進而在降低能耗的基礎上，通過軟件模擬不同操作條件下的能耗情況，確立最優(yōu)參數(shù)。項目式學習階段，貫穿了成果導向的多元化評價，科學實踐與學科交叉的理念在學習與評價過程中得到了較好的體現(xiàn)。