课堂教导与绿色化工意识训练探索论文

时间：2023-04-30 02:01:02 论文范文我要投稿

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课堂教导与绿色化工意识训练探索论文

　　重视案例教学,增强学生对绿色化工的感性认识采用绿色工艺、实行清洁生产是当代化工的发展趋势和必然选择。为增强学生的感性认识,授课中引入经典案例配合理论方面的讲解,会达到事半功倍的教学效果。为了表达方便,本文以环氧丙烷的生产工艺为例,对传统工艺和绿色工艺进行阐述。环氧丙烷(PropyleneOxide,简称PO),是除了聚丙烯和丙烯腈以外的第三大丙烯衍生物,是重要的基础有机化工原料。环氧丙烷主要用于聚醚多元醇的生产,其次用于非离子表面活性剂、碳酸丙烯酯和丙二醇的生产。此外,环氧丙烷的衍生物产品有近百种,是精细化工产品的重要原料,广泛应用于汽车、建筑、食品、烟草、医药及化妆品等行业。目前,世界上生产环氧丙烷的主要工业化方法为氯醇法、共氧化法和过氧化氢直接氧化法。(1)氯醇法氯醇法历史悠久,工业化已有60多年,代表企业为美国陶氏化学(DowChemical)公司。采用传统的石灰(氢氧化钙)工艺,反应方程式如下:(式略)氯醇法采用传统的石灰(氢氧化钙)工艺,该工艺需消耗大量高能耗的氯气、石灰原料和水资源,产生大量废水和废渣,且每生产1吨环氧丙烷可产生40~50吨含氯化物的皂化废水和2吨以上的废渣。含氯化物的皂化废水具有温度高、pH值高、氯根含量高、COD含量高和悬浮物含量高的五高特点,难以处理。该工艺生产过程中产生的次氯酸对设备的腐蚀也比较严重。

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　　针对这些问题,美国陶氏化学(DowChemica1)公司对传统的石灰(氢氧化钙)工艺进行了改进,采用NaOH代替石灰进行皂化反应,将生成的NaCl水溶液返回氯碱装置电解制氯气,基本无含盐废水排放。目前,氯醇法的生产能力占世界总生产能力的44%,我国生产环氧丙烷的方法是最经典的氯醇法。(2)共氧化法共氧化法又称哈康法,根据原料和联产产品,可分为异丁烷共氧化法(PO/TBA法)和乙苯共氧化法(PO/SM法)。2003年5月,日本住友(Sumitomo)化学公司开发了异丙苯氧化法(CHP法)。共氧化法的反应方程式如下[3](式略)在共氧化法生产环氧丙烷过程中,联产物量很大。因为联产物叔丁醇、异丁烯和苯乙烯有广泛的应用,售价也高,因此PO/TBA法和PO/SM法得以广泛应用。CHP法因其环氧化选择性高(对丙烯而言选择性大于95%,对过氧化氢异丙苯而言大于90%。)过氧化氢异丙苯比过氧化氢乙苯容易生产,且可用一部分来生产苯酚和丙酮,联产物二甲基苯甲醇脱水后可制得α-甲基苯乙烯,因此也具有良好的工业前景。目前世界采用PO/TBA法生产的环氧丙烷占总产量的18%,采用PO/SM法生产的环氧丙烷占总产量的34%,采用CHP法生产的环氧丙烷占总产量的2.5%[4]。(3)过氧化氢直接氧化法(HPPO法)由过氧化氢(双氧水)催化氧化丙烯制环氧丙烷的新工艺,生产过程中只生成环氧丙烷和水,其化学反应方程式为:(式略)由于HPPO法存在H2O2的运输问题,意大利的Clerici等[5]提出将丙烯环氧化过程与蒽醌制H2O2过程结合,以甲醇水溶液为萃取剂代替原有的水萃取剂,将H2O2直接萃取后进入环氧丙烷的反应器,极大地降低了生产的成本。该工艺在经济、环境和技术方面具有独特的优势,是今后新建PO装置主要采用的生产工艺。

　　基础知识和科学前沿相结合化学工艺学所涉及的内容是相同的,一般包括原料的选择和预处理,生产方法的选择及方法原理,设备的选择,结构和操作,催化剂的选择和使用,操作条件的影响和选定,流程组织,生产控制,产品规格和副产物的分离与利用,能量的回收和利用,对不同工艺路线和流程的技术经济评价等问题。在教学过程中,我们强调用基础知识解决实际问题。如针对甲烷蒸汽转化制合成气流程中温度和压力的确定问题,我们从化学平衡出发,通过甲烷蒸汽转化过程中主副反应的热力学数据分析,得到高温和低压对平衡有利。但从工程角度考虑,适当提高压力对传热有利。为了加快传热速率,工程上采用加压的方式(3.0MPa),从动力学角度看,反应初期增加系统压力有利于加快反应速率。但到了反应后期,反应平衡时,加压会降低反应速率,对平衡有不利影响,因此更需要提高温度来补偿。在3.0MPa、1000℃的条件下使甲烷的干基含量降至0.3%,会严重地影响反应管的寿命。如何解决这一实际问题,依据热力学和动力学分析,结合反应设备,我们引出甲烷水蒸汽转化过程中采用二段转化炉的工艺流程,并进一步说明采用管间加热的一段转化炉,最高温度(出口处)控制在800℃,出口残余甲烷的干基含量为10%。

　　采用管内加热的二段转化炉,氧与转化气中甲烷燃烧放热,温度升至1000℃,二段出口处甲烷的干基含量降至0.3%,这样既讲解了工艺流程,又加深了学生对工艺条件确立依据的理解。另外,我们还在课堂上针对具体工艺流程中存在的问题,及不同工艺路线和流程的技术经济评价等问题进行分析,通过追踪文献,让学生了解该工艺的发展势态和绿色工艺的应用。随着现代化工新技术、新设备、新材料的不断出现,适当补充和更新部分教学内容,将膜分离技术、超声波促进萃取传质、新工业催化剂材料等前沿知识渗透在工艺流程的某个环节中,不但扩大了课堂的信息量,又开阔了学生的思路。培养当代工程教育的教育理念20世纪以来,学科在分工越来越细、研究越来越专业化的同时,交叉渗透和综合化趋势也越来越明显。学科发展的特点和趋势要求教育模式进行相应的调整,就化学工艺学中流程的组织和设计而言,它应该是一种多元价值综合交叉的教育。

　　传统的工艺学流程设计没有反映学科交叉的综合特点,存在严重不足。本科生在设计工艺流程时习惯于模仿性设计而不是创新性设计,技术上重点偏重于工艺研究而弱于结构-功能的设计研究,在设计模式上囿于刚性设计,一个设备对应一种工艺和一种定型产品。更重要的是,工艺流程设计和组织只局限在技术层面,工科学生不懂得成本、经营、管理,更缺少人文修养。针对这种情况,本科生教学过程中,应鼓励学生向其他专业的教师和本科生学习,以弥补学生在化工设备、化工过程自动化和优化控制、生态科学、经济学和社会学等学科的不足,提高学生的综合性思维、创造能力与创新设计能力。

　　当代工程教育的基本思想是以人、自然、社会协调统一与可持续发展为基础的人类福利价值创造[6]。依托地方资源优势所上的化工项目,不是单纯地以增加当地的GDP为目的,而是在利用优势资源的同时,要遵循生态活动的规律,在更高的社会生活水平上重塑生态活动的方式,使社会、经济、生态和谐共处、可持续发展。我们必须在本科生教育阶段,就要树立和培养学生的可持续发展观念,应该把化工项目的建设理解为生态循环系统之中的生态社会现象,化工项目工艺流程的组织,生产控制,产品规格和副产物的分离与利用,能量的回收和利用,废物的排放,都不能以影响生态环境为代价。

　　绿色化工是对传统化工的一种挑战。实施绿色化工教育,教师必须有强烈的绿色意识。这项工作需要教师在化学工艺学课堂教学准备中多下功夫,吃透教材,利用自己的言行去感染学生,然后结合具体案例将绿色化工的知识巧妙而生动地渗透到教学过程的某些环节中,这样学生在学知识的过程中,就自然地产生了保护环境、实施绿色化工的意识。勿庸质疑,学生是未来我国化工行业的主力军,针对他们加强绿色化工的教育,提高他们的综合素质,就意味着我国化工工业走进了可持续发展行列。

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