林靜，王方闊，董雄輜，蔡文潔

（合肥師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

“化工分離技術(shù)”是化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程體系的重要組成部分，主要任務(wù)為研究多種分離純化技術(shù)的單元操作過程、原理與工程應(yīng)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(xué)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(gòu)建知識框架，教師的主導(dǎo)地位使得學(xué)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(xué)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(xùn)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?qū)嵃富吔?，是化工專業(yè)理論課教學(xué)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(yīng)用數(shù)學(xué)方程描述反應(yīng)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(shè)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(shù)。Ghasem等[6]在教學(xué)中基于該軟件設(shè)計工藝裝置，并進行理論計算，提高了學(xué)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(xué)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(yīng)用，劉歡等[8]將該軟件貫穿分離工程各章節(jié)的教學(xué)活動中，提高了學(xué)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(shù)”課程教學(xué)提質(zhì)增效。

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

1 教師項目導(dǎo)入

通過前面章節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了多組分精餾的流程與原理，而反應(yīng)精餾是精餾技術(shù)中的特殊領(lǐng)域。為了提高分離效率與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)精餾將化學(xué)反應(yīng)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?qū)W生生動闡述反應(yīng)精餾的類型、流程與過程特點。反應(yīng)精餾是化學(xué)反應(yīng)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?qū)W生講解含有催化劑的反應(yīng)精餾中催化劑的安裝位置。為避免精餾塔內(nèi)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(nèi)反應(yīng)物濃度最大的區(qū)域來構(gòu)成反應(yīng)區(qū)。通過動畫展示向?qū)W生演示催化劑的裝填方式，讓學(xué)生有直觀的了解。

以甲基叔丁基醚（MTBE）的催化反應(yīng)精餾為例，希望沸點最高的MTBE迅速離開反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)產(chǎn)物被連續(xù)分離移走，反應(yīng)不斷向產(chǎn)物方向移動，最大限度提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，同時要采出多于化學(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)精餾的強化傳質(zhì)、提高收率與化學(xué)平衡限制等理論進行講解，使學(xué)生理解反應(yīng)精餾的分離優(yōu)勢?；瘜W(xué)反應(yīng)與精餾傳質(zhì)過程的相互作用使得反應(yīng)精餾的控制策略比普通精餾復(fù)雜。過程控制方案應(yīng)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(chǔ)上，引出實際工程項目，即甲基叔戊基醚的醚化反應(yīng)精餾過程的工藝設(shè)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(yīng)精餾過程與甲醇回收過程，其中C1精餾塔為反應(yīng)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(xué)生針對C1反應(yīng)精餾工段進行工藝設(shè)計與建模。

圖2 甲基叔戊基醚生產(chǎn)流程

2 學(xué)生項目式學(xué)習(xí)過程

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

圖3 項目式學(xué)習(xí)具體步驟

2.1 文獻調(diào)研

教師提出甲基叔戊基醚反應(yīng)精餾案例，引導(dǎo)學(xué)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(diào)研文獻了解甲基叔戊基醚的分子結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性質(zhì)，以及醚化反應(yīng)原理、國內(nèi)外生產(chǎn)工藝發(fā)展、反應(yīng)精餾工藝、醚化反應(yīng)模型建立等知識。

2.2 任務(wù)分析

案例分析需要以學(xué)科知識為基礎(chǔ)，學(xué)生需要掌握關(guān)于多組分精餾的理論知識，才能進行案例設(shè)計。因此需要教師根據(jù)學(xué)生需求，將長江雨課堂線上化工分離課程教學(xué)資源進行分發(fā)，學(xué)生認真學(xué)習(xí)，加深理解。教師確定項目目標(biāo)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(yīng)精餾塔設(shè)定參數(shù)包括尺寸、塔板數(shù)量、壓降等，學(xué)生分析項目任務(wù)。

2.3 模型確定

熱力學(xué)性質(zhì)和流體相平衡對化工工藝設(shè)計和生產(chǎn)至關(guān)重要。各小組需要確定熱力學(xué)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(xué)熵值計算。甲基叔戊基醚醚化反應(yīng)精餾塔內(nèi)反應(yīng)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(shè)計

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

圖4 甲基叔戊基醚醚化反應(yīng)精餾流程

2.5 條件模擬

學(xué)生在確定反應(yīng)精餾流程基礎(chǔ)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(guān)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(dāng)回流比為固定值時調(diào)整再沸比數(shù)值，能耗與再沸比亦呈正相關(guān)，經(jīng)調(diào)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(guān)系

2.6 項目總結(jié)

項目總結(jié)報告控制在2 000字以內(nèi)，內(nèi)容包括標(biāo)題、引言、項目目標(biāo)、理論模型、操作條件、結(jié)果與結(jié)論以及參考文獻。小組內(nèi)隨機抽取學(xué)生進行ppt匯報，時間控制在8 min以內(nèi)。

3 教學(xué)評價

項目式學(xué)習(xí)的目的為鍛煉學(xué)生用基本理念解決實際問題的能力，基于OBE教學(xué)理念[12]，從教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)活動逐個環(huán)節(jié)逆序推進，形成化工分離技術(shù)反應(yīng)精餾多元化教學(xué)評價體系。與靜態(tài)結(jié)構(gòu)性評價不同，多元化過程評價是對學(xué)習(xí)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(xué)評價內(nèi)容

3.1 計劃與框架評價

通過具體反應(yīng)精餾案例，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維，提高學(xué)生整體工程設(shè)計能力，即通過教師提出的反應(yīng)精餾案例有目的地制定相關(guān)計劃，并尋找解決方法。利用Aspen Plus構(gòu)建虛擬仿真的反應(yīng)精餾項目環(huán)境，采用化工專業(yè)技能梳理項目內(nèi)容，通過小組合作，培養(yǎng)學(xué)生溝通技能與團隊協(xié)作能力。關(guān)于甲基叔戊基醚物化性質(zhì)等未知領(lǐng)域，也能通過自主學(xué)習(xí)來加深了解。教師通過學(xué)生文獻總結(jié)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(yīng)評價。

3.2 過程與階段評價

通過設(shè)計甲基叔戊基醚醚化反應(yīng)精餾塔，學(xué)生使用Aspen Plus軟件進行熱力學(xué)模型計算、塔設(shè)備工藝流程設(shè)計與操作條件優(yōu)化，項目式實踐過程的學(xué)習(xí)內(nèi)容包括項目Aspen Plus軟件資源利用、相關(guān)熱力學(xué)模型理論知識儲備與操作條件調(diào)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(jié)構(gòu)下反應(yīng)精餾流程的運行效果。教師關(guān)注學(xué)習(xí)進度并及時答疑，師生與生生合作探究、互學(xué)互教，教師根據(jù)學(xué)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(xué)生情感、態(tài)度等方面給予客觀評價。

3.3 結(jié)果與總結(jié)評價

通過反應(yīng)精餾塔的設(shè)計，學(xué)生具備了處理實踐工程案例的能力。針對應(yīng)用問題，學(xué)生首先要查閱文獻，了解產(chǎn)物的物化性質(zhì)，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(xué)計算，確定反應(yīng)過程的熱力學(xué)模型，再在軟件中設(shè)計繪制反應(yīng)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(jié)材料（包括可行性報告、設(shè)計說明書、圖紙、優(yōu)化計算結(jié)果與模擬程序），并以ppt匯報的形式對項目進行歸納總結(jié)。結(jié)果與總結(jié)評價包含總結(jié)報告、ppt匯報與小組討論，權(quán)重比為5∶3∶2。

4 結(jié)束語

本文描述了“化工分離技術(shù)”課程中反應(yīng)精餾的教學(xué)實踐案例，通過項目式學(xué)習(xí)，引入甲基叔戊基醚醚化反應(yīng)精餾流程設(shè)計具體案例，學(xué)生借助Aspen Plus模擬軟件進行反應(yīng)精餾工段設(shè)計，利用模擬軟件使學(xué)生熟悉仿真環(huán)境，深度理解反應(yīng)精餾傳質(zhì)過程的平衡條件、熱力學(xué)模型的確定與反應(yīng)精餾設(shè)備的選擇，進而在降低能耗的基礎(chǔ)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(xué)習(xí)階段，貫穿了成果導(dǎo)向的多元化評價，科學(xué)實踐與學(xué)科交叉的理念在學(xué)習(xí)與評價過程中得到了較好的體現(xiàn)。