新工科背景下案例式教学在《化工过程模拟实验》中的应用—以制药废液中四氢呋喃的回收为例

王克良，李 静，李 琳，缪应菊，叶 昆

(1.六盘水师范学院 化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004；2.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北 任丘 062552)

新工科是近年来基于国家的发展战略提出的，目的是在传统人才培养模式上进行改造升级，结合行业以及地方产业经济，培养一批工程应用型人才。目前国内高校也逐渐将新工科的教育理念融入到了工科专业的人才培养方案中去[1-2]。这就对工科专业人才的培养提出了更高的要求。化学工程与工艺专业，以培养学生的工程应用能力为目标[3-4]。因此，化工过程模拟与设计类课程就显得尤为重要。该课程要求学生通过掌握化工过程模拟软件，去解决一些复杂的工程问题，这显然是与新工科的教育理念和要求相契合的[5-6]。

采用案例式教学方法，最早是哈佛大学提出的，当时所选择的案例全部是真实的商业管理案例[7]。随着我国高等教育对工科人才培养的要求逐渐提升，越来越多的高校也开始采用案例式教学[8]。选择合适的、能够结合地方产业经济的工业生产案例，将其引入到教学中，学生可以通过案例的训练，将专业课知识与化工单元操作相结合，进一步提升学生的工程实践能力。

选择合适的、能够结合地方产业经济的工业生产案例，将其引入到课程教学中，一方面可以有效丰富课程内容体系，将其与行业生产无缝对接，另一方面也可以让学生更加了解本行业对专业人才的具体要求。

本文以制药废液中四氢呋喃(THF)的回收为例，介绍了案例式教学在化工过程模拟实验课程中的应用与实践。该案例结合了六盘水地区高海拔、低气压的特色，能够极大地调动学生的学习积极主动性。

1 制药废液中THF的回收案例

四氢呋喃(THF)作为一种有机溶剂，广泛应用于制药行业中[9]。THF吸水性很强，且与水能够形成共沸物，普通分离回收无法得到高纯度的THF[10]。因此高效回收制药废液中的THF就具有重要的环保和经济意义。

某案例：某制药厂排放的废液中含有THF—水混合物，经过初步分离后，该混合物流率为3000 kg/h，四氢呋喃为0.4(质量分数)，水为0.6。要求最终回收得到质量纯度大于99.9%的四氢呋喃。

2 教学过程分析与讨论

2.1 THF-水二元物系的分离方案

图1 变压精馏乙四氢呋喃-水工艺流程图

首先，教师向学生讲解变压精馏的基本原理，依据共沸物对不同压力的具有不同的敏感程度，因此在不同的压力下，共沸组成会发生较大的变化，从而达到分离的目的。

变压精馏有低压塔(LPC)和高压塔(HPC)两个设备，要分离共沸物则需要保证两个压力下的共沸组成变化超过5%。六盘水地区属于亚高原，气压较之平原要低，因此低压塔压力设置为该地区大气压0.85 atm，高压塔压力设置为5 atm。四氢呋喃-水混合物由低压塔进入，精馏分离后，两个塔的塔釜分别为水和四氢呋喃。

2.2 THF-水的分离过程优化

在固定低压塔和高压塔的操作压力为0.85～5 atm时，利用灵敏度分析，依次对低压塔、高压塔进料位置、回流比、塔板数进行优化，根据TAC最小原则，选择出最优的参数。

优化过程为：

设置双塔的操作压力分别为0.85 atm和5 atm；

给定HPC塔板数NT2、初始的LPC塔板数NT1，使其满足设计规定；

给出LPC和HPC的回流比RR1与RR2、LPC原料进料塔板NF1、循环物料进料塔板NREC、HPC进料塔板NF2，分别调整D1、B1来满足低压塔与高压塔的要求；

改变RR1、RR2、NF1、NF2和NREC使TAC最小；

固定NT2，使TAC最小，得到最佳参数；

固定上步的最优解，改变NT2，得到最优的NT2；

得到所有最佳参数，结束。

2.3 优化结果

整个优化过程以年度总费用TAC[11-12]为目标函数，该费用综合考虑了能耗费用和设备投资。

2.3.1 最佳进料位置

对三个进料位置进行了优化，见图2。三个进料位置对TAC的影响均是一条有最小值的折线图，其中原料进料塔板为第15块、循环物料进料塔板为第14块和高压塔进料塔板为第9块时，分别对应的TAC为最小。

图2 进料位置对TAC的影响

2.3.2 回流比优化结果

图3是回流比的优化结果。其中(a)和(b)分别为两塔回流比对TAC的作用规律，从图中可以看出低压塔和高压塔的最佳回流比分别为0.3和0.4。

图3 回流比对TAC的影响

2.3.3 塔板数优化结果

塔板数的优化结果见图4。其中(a)和(b)分别为两塔塔板数对TAC的影响，从图中可以看出低压塔的最佳塔板数为17块，高压塔的最佳塔板数为15块。

图4 塔板数对TAC的影响

2.3.4 工艺流程

经过迭代优化后，得到最终的工艺参数列于图5中，可以读出各个相应的参数，如热负荷、进出料的条件以及各物流组成、流率等。最终从制药废液中回收得到的THF产品纯度为0.999。

图5 最终优化工艺流程图

3 结论

在新工科背景下，以回收制药废液中的四氢呋喃为例，将案例式教学引入《化工过程模拟实验》课程中。通过该案例的训练，学生能够将工业案例与前期学过的《化工热力学》、《化工原理》、《物理化学》等知识融会贯通，学以致用，通过各项参数优化，能够更好的理解工业生产和课堂实验的异同。对于学生们能够解决工程问题，培养工程实践能力起到了良好的促进作用。