高晓新， 陆凯锐， 陈 群， 陈海群， 马江权， 汤吉海

（1.常州大学石油化工学院，江苏常州213164；2.南京工业大学化工学院，南京211816）

0 引 言

高校化工实验课中，安全与创新是课程所倡导的核心。化学工程这门学科是建立在实验基础上的一门学科，因此实验课开展的情况将间接地影响学生对化工原理理论知识的理解。为了巩固和深化理论知识，这就要求学生在化工实验课程中初步掌握化工问题的实验研究方法，熟悉化工数据的基本测试技术。化工实验课程以培养学生的创新能力［1-3］，实操能力为目的，最终为社会培养出合格的化学工程师。化学工程与工艺专业教学指导委员会指出，为了培养合格的化工专业人才，高校化工实验课程在验证性实验的基础上需要补充设计性实验，让学生在设计性实验中，更加灵活多变，学会拓展思维，提升创新能力［4-6］。

化工数据的采集与处理得益于计算机技术发展，计算机同时可以精准地控制化工操作。化工专业应结合化工模拟课程的开设，学生借助模拟仿真技术Aspen Plus软件对化工过程进行设计模拟，使化工原理的课堂教学与课下设计训练相辅相成，对教学效果的提升有着较大的促进作用。

为进一步深化我校化工实验教学改革，提高实验教学质量，促进综合性、设计性、研究创新性实验项目的开设［7-9］，以甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水三元共沸体系分离为例，将气液相平衡测定实验、Aspen Plus软件教学和多元共沸物精馏过程模拟相结合，实验教学与工程实践相结合，培养出理论与实践相结合具有工程观的人才［10-12］。

1 实验内容

（1）实验原理。工业中乙烯法酯化反应生产甲基丙烯酸甲酯的过程中会产生多元共沸物［13-15］，如甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水三元共沸物，这类混合物通过普通精馏难以分离，因此需要借助特殊的精馏方法，如萃取精馏、共沸精馏和变压精馏。萃取精馏就是一种典型的分离方法，萃取精馏是通过引入萃取剂达到相对挥发度被提高的效果，从而分离共沸物。过去化工过程的开发是从小试到中试最后投入化工厂进行大规模生产的逐级扩大的模式。随着计算机技术发展，化工流程模拟软件得到快速发展，化工过程的模拟计算精度快速提高，这方便了高校在开展理论研究的同时进行“模拟实验”，既减少科研费用和研发周期，同时增加了学生的工程实践能力。化工模拟计算精度的基础在于选取的热力学方程，而准确热力学方程来源于相平衡数据的精度，因此气液相平衡实验成为分离的重点。本实验以甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水溶液为分离对象，通过气液相平衡数据实验，让学生熟练掌握测定气液相平衡数据，然后根据化工热力学内容，关联拟合实验数据，得到最佳参数模型，从而模拟萃取精馏过程。

（2）实验目的。①掌握气液相平衡数据的测定；②掌握确定萃取精馏工艺中萃取剂选择的方法；③掌握萃取精馏过程路线的设计；④掌握萃取精馏过程模拟的参数优化及收敛技巧。

（3）实验试剂及仪器。甲基丙烯酸甲酯（分析纯），甲醇（分析纯），蒸馏水，Othmer气液平衡仪、气相色谱、计算机、化工过程模拟软件Aspen Plus。

（4）实验方案。①配制一定组成的甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水溶液装入Othmer气液平衡仪，测定常压下的温度、组成数据，其中色谱分析确定液相组成和气相组成。②处理实验数据，选择热力学模型进行回归拟合，得到三元体系热力学方程的交互作用参数。③由实验数据绘制拟二元相图，探究萃取剂如何选取。④输入物流参数和热力学模型，通过化工模拟软件Aspen Plus模拟水作为萃取剂分离甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水溶液，调试分离出纯度达标的产品。⑤优化操作参数，并进行产品纯度、能耗比较，选择最佳分离参数。

2 实验开展

2.1 气液相平衡测定

将学生分6组，规定每组学生完成8组气液相平衡数据。将100 mL试样加入气液平衡装置，同时加入适量沸石，加热到沸腾，等气液平衡装置内部温度稳定达到平衡时，稳定0.5 h后取样，通过色谱分析后测出液相组成和气相组成。

2.2 气液相数据拟合

每组同学回归拟合一个热力学方程，将实验数据与回归计算结果比较。得到回归结果与实验数据［16］吻合度的高低顺序为：UNIQUAC、NRTL、WILSON。因此采用UNIQUAC物性方法，回归得到UNIQUAC的方程的二元交互作用参数列于表1。

表1 甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水共沸物UNIQUAC模型参数

2.3 萃取剂选择

选择合适的萃取剂对于萃取精馏来说至关重要，针对甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水体系是非均相三元共沸体系，选择萃取剂可改变相对挥发度大小，甚至打破共沸组成，这样才能达到分离共沸体系的目标。经过研究选取水作为甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水分离的萃取剂。另外水作为萃取剂可以避免其他组分对产品纯度的影响。使用Aspen Plus模拟得到甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水体系相图，如图1所示。甲醇和甲基丙烯酸甲酯以及甲醇和水都能无限互溶，但甲基丙烯酸甲酯与水只能部分互溶。在它们组成的三组分体系相图上出现了一个帽形区域，溶液分为两层，一层是在甲醇存在的情况下甲基丙烯酸甲酯在水中的饱和溶液，另一层是在甲醇存在的情况下水在甲基丙烯酸甲酯中的饱和溶液。

图1 甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水三元相图

2.4 Aspen Plus课程内容

（1）单元操作可视化，提高学习理解能力。授课内容围绕单元操作进行模块化教学，对于不同单元模块引用不同的理论依据进行分析并进行数学模型的讲解，使学生能够利用理论知识构建数学模型，数学模型到单元模型模块，从而实现理论与实践结合，使学生能够融会贯通。对抽象的化工过程有了具体形式上的认识和理解。对于化工原理课程教学中，诸如离心泵、换热器、精馏、吸收解吸，化工反应过程中的平推流反应、间歇反应以及新型分离方法膜分离等都可以采用以上方法进行辅助教学，提高学生学习兴趣和理解能力。

（2）三传讲解模型化，提高工程素质。采用简单的二元物系甲醇和水进行分离设计，通过化工原理理论讲解到Aspen Plus建模到具体模型化的精馏操作，来分别讲述工程中的传质、传热、传动的三传过程，使学生能够较快理解和掌握这一理论基础和实践操作。同时采用工厂实例进行教学模拟，对书本的化工知识内容进行工程案例实践与分析，促进学生提高工程分析问题能力，对课堂教学产生了很好的辐射作用。

（3）萃取精馏模拟演示，提高实践运用能力。以萃取精馏分离甲苯和甲基环己烷为例进行模拟演示。主要从物料衡算、严格计算模块设计计算、灵敏度分析等方面，指导学生如何构建和优化萃取精馏过程，如何将书本的知识运用到实际流程中。

2.5 萃取精馏过程模拟及优化

水作为单溶剂萃取的分离过程如图2所示。物料和水萃取剂在40℃的温度和0.15 MPa的压力下进入萃取塔（T0101），T0101的顶部产物进入精馏塔（T0102），而T0101塔底产物进入另一个精馏塔（T0103）。其中，萃取塔（T0101）的塔板数设置为10，萃取剂水的进料塔板数为1，原料混合物的进料塔板数为10。精馏塔（T0102）的塔板数设为10，进料塔板数为7，精馏塔（T0103）的塔板数为15，进料板位置为第6块。可以得到产物甲基丙烯酸甲酯（质量分数为99.6%）。将顶部产物引入液相分离器（V0101），并作为回流的一部分返回精馏塔。T0103的顶部产物是甲醇，底部产物通过分流器（F0101）分为两股流，一股是重组分（由水组成），另一股作为循环水返回到T0101。

图2 萃取精馏的工艺流程图

制定任务书，确定合适的溶剂比（萃取剂水与甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水溶液质量比），通过灵敏度分析工具研究塔板数、进料位置、回流比、溶剂温度对甲基丙烯酸甲酯质量分数及再沸器热负荷影响。根据产品甲基丙烯酸甲酯的纯度以及再沸器和冷凝器的能耗来确定最佳操作参数，从而获得最佳方案。

2.6 实验问题思考

学生思考回答下列实验影响因素及问题：①萃取剂水的作用是什么？筛选萃取剂原理？②回流比和溶剂比分别是什么含义？它们如何影响塔顶甲醇的组成？③考察的所有操作参数中，哪个参数对分离效果影响最大？④流程设计中为了提高甲醇产品的纯度，应该考虑什么条件？⑤如何进行物料衡算？

3 教学效果反馈

3.1 成绩评定

本课程总计12课时，课程包括测定及关联气液相平衡数据、Aspen Plus课程讲授和萃取精馏流程模拟三部分，分别考核三项成绩，加权计算总分，权重为：测定及关联实验数据占30%，Aspen Plus课程平时成绩20%，萃取精馏模拟为40%，实验问题课后作业10%。

3.2 教学效果评价

将Aspen Plus软件引入化工2020级化工实验课程的教学后，与没有引入该软件的化工2019级实验课后问题成绩进行了对比。在统计课后问题的成绩后完成后，化工19级作业成绩均分81.6分，将Aspen软件引入化工实验后，化工20级实验课后作业成绩均分87.2分，教学模式的创新一定程度提高了教学质量，加深了学生对理论与实践的认识。

4 结 语

本实验是以甲基丙烯酸甲酯生产后形成的多元共沸物分离设计开发的，将传统的验证性化工实验转变成创新型设计实验，以萃取精馏分离甲基丙烯酸甲酯／甲醇／水共沸物为例，将化工模拟软件与化工实验相结合，让学生从实验入手，发挥思维空间对多元共沸物分离进行模拟设计，并且对关键操作参数进行优化，开发学生的动手和思维能力，做到了从书本到实践的跨越，加深学生对工程实践的认识。有利于培养人才的工程实践能力和提高我国化工专业的整体发展水平。