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課堂教導(dǎo)與綠色化工意識訓(xùn)練探索論文
重視案例教學(xué),增強(qiáng)學(xué)生對綠色化工的感性認(rèn)識采用綠色工藝、實(shí)行清潔生產(chǎn)是當(dāng)代化工的發(fā)展趨勢和必然選擇。為增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識,授課中引入經(jīng)典案例配合理論方面的講解,會達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。為了表達(dá)方便,本文以環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)工藝為例,對傳統(tǒng)工藝和綠色工藝進(jìn)行闡述。環(huán)氧丙烷(PropyleneOxide,簡稱PO),是除了聚丙烯和丙烯腈以外的第三大丙烯衍生物,是重要的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料。環(huán)氧丙烷主要用于聚醚多元醇的生產(chǎn),其次用于非離子表面活性劑、碳酸丙烯酯和丙二醇的生產(chǎn)。此外,環(huán)氧丙烷的衍生物產(chǎn)品有近百種,是精細(xì)化工產(chǎn)品的重要原料,廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、食品、煙草、醫(yī)藥及化妝品等行業(yè)。目前,世界上生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的主要工業(yè)化方法為氯醇法、共氧化法和過氧化氫直接氧化法。(1)氯醇法氯醇法歷史悠久,工業(yè)化已有60多年,代表企業(yè)為美國陶氏化學(xué)(DowChemical)公司。采用傳統(tǒng)的石灰(氫氧化鈣)工藝,反應(yīng)方程式如下:(式略)氯醇法采用傳統(tǒng)的石灰(氫氧化鈣)工藝,該工藝需消耗大量高能耗的氯氣、石灰原料和水資源,產(chǎn)生大量廢水和廢渣,且每生產(chǎn)1噸環(huán)氧丙烷可產(chǎn)生40~50噸含氯化物的皂化廢水和2噸以上的廢渣。含氯化物的皂化廢水具有溫度高、pH值高、氯根含量高、COD含量高和懸浮物含量高的五高特點(diǎn),難以處理。該工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的次氯酸對設(shè)備的腐蝕也比較嚴(yán)重。
針對這些問題,美國陶氏化學(xué)(DowChemica1)公司對傳統(tǒng)的石灰(氫氧化鈣)工藝進(jìn)行了改進(jìn),采用NaOH代替石灰進(jìn)行皂化反應(yīng),將生成的NaCl水溶液返回氯堿裝置電解制氯氣,基本無含鹽廢水排放。目前,氯醇法的生產(chǎn)能力占世界總生產(chǎn)能力的44%,我國生產(chǎn)環(huán)氧丙烷的方法是最經(jīng)典的氯醇法。(2)共氧化法共氧化法又稱哈康法,根據(jù)原料和聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品,可分為異丁烷共氧化法(PO/TBA法)和乙苯共氧化法(PO/SM法)。2003年5月,日本住友(Sumitomo)化學(xué)公司開發(fā)了異丙苯氧化法(CHP法)。共氧化法的反應(yīng)方程式如下[3](式略)在共氧化法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷過程中,聯(lián)產(chǎn)物量很大。因?yàn)槁?lián)產(chǎn)物叔丁醇、異丁烯和苯乙烯有廣泛的應(yīng)用,售價也高,因此PO/TBA法和PO/SM法得以廣泛應(yīng)用。CHP法因其環(huán)氧化選擇性高(對丙烯而言選擇性大于95%,對過氧化氫異丙苯而言大于90%。)過氧化氫異丙苯比過氧化氫乙苯容易生產(chǎn),且可用一部分來生產(chǎn)苯酚和丙酮,聯(lián)產(chǎn)物二甲基苯甲醇脫水后可制得α-甲基苯乙烯,因此也具有良好的工業(yè)前景。目前世界采用PO/TBA法生產(chǎn)的環(huán)氧丙烷占總產(chǎn)量的18%,采用PO/SM法生產(chǎn)的環(huán)氧丙烷占總產(chǎn)量的34%,采用CHP法生產(chǎn)的環(huán)氧丙烷占總產(chǎn)量的2.5%[4]。(3)過氧化氫直接氧化法(HPPO法)由過氧化氫(雙氧水)催化氧化丙烯制環(huán)氧丙烷的新工藝,生產(chǎn)過程中只生成環(huán)氧丙烷和水,其化學(xué)反應(yīng)方程式為:(式略)由于HPPO法存在H2O2的運(yùn)輸問題,意大利的Clerici等[5]提出將丙烯環(huán)氧化過程與蒽醌制H2O2過程結(jié)合,以甲醇水溶液為萃取劑代替原有的水萃取劑,將H2O2直接萃取后進(jìn)入環(huán)氧丙烷的反應(yīng)器,極大地降低了生產(chǎn)的成本。該工藝在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和技術(shù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,是今后新建PO裝置主要采用的生產(chǎn)工藝。
基礎(chǔ)知識和科學(xué)前沿相結(jié)合化學(xué)工藝學(xué)所涉及的內(nèi)容是相同的,一般包括原料的選擇和預(yù)處理,生產(chǎn)方法的選擇及方法原理,設(shè)備的選擇,結(jié)構(gòu)和操作,催化劑的選擇和使用,操作條件的影響和選定,流程組織,生產(chǎn)控制,產(chǎn)品規(guī)格和副產(chǎn)物的分離與利用,能量的回收和利用,對不同工藝路線和流程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價等問題。在教學(xué)過程中,我們強(qiáng)調(diào)用基礎(chǔ)知識解決實(shí)際問題。如針對甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制合成氣流程中溫度和壓力的確定問題,我們從化學(xué)平衡出發(fā),通過甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過程中主副反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)分析,得到高溫和低壓對平衡有利。但從工程角度考慮,適當(dāng)提高壓力對傳熱有利。為了加快傳熱速率,工程上采用加壓的方式(3.0MPa),從動力學(xué)角度看,反應(yīng)初期增加系統(tǒng)壓力有利于加快反應(yīng)速率。但到了反應(yīng)后期,反應(yīng)平衡時,加壓會降低反應(yīng)速率,對平衡有不利影響,因此更需要提高溫度來補(bǔ)償。在3.0MPa、1000℃的條件下使甲烷的干基含量降至0.3%,會嚴(yán)重地影響反應(yīng)管的壽命。如何解決這一實(shí)際問題,依據(jù)熱力學(xué)和動力學(xué)分析,結(jié)合反應(yīng)設(shè)備,我們引出甲烷水蒸汽轉(zhuǎn)化過程中采用二段轉(zhuǎn)化爐的工藝流程,并進(jìn)一步說明采用管間加熱的一段轉(zhuǎn)化爐,最高溫度(出口處)控制在800℃,出口殘余甲烷的干基含量為10%。
采用管內(nèi)加熱的二段轉(zhuǎn)化爐,氧與轉(zhuǎn)化氣中甲烷燃燒放熱,溫度升至1000℃,二段出口處甲烷的干基含量降至0.3%,這樣既講解了工藝流程,又加深了學(xué)生對工藝條件確立依據(jù)的理解。另外,我們還在課堂上針對具體工藝流程中存在的問題,及不同工藝路線和流程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價等問題進(jìn)行分析,通過追蹤文獻(xiàn),讓學(xué)生了解該工藝的發(fā)展勢態(tài)和綠色工藝的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代化工新技術(shù)、新設(shè)備、新材料的不斷出現(xiàn),適當(dāng)補(bǔ)充和更新部分教學(xué)內(nèi)容,將膜分離技術(shù)、超聲波促進(jìn)萃取傳質(zhì)、新工業(yè)催化劑材料等前沿知識滲透在工藝流程的某個環(huán)節(jié)中,不但擴(kuò)大了課堂的信息量,又開闊了學(xué)生的思路。培養(yǎng)當(dāng)代工程教育的教育理念20世紀(jì)以來,學(xué)科在分工越來越細(xì)、研究越來越專業(yè)化的同時,交叉滲透和綜合化趨勢也越來越明顯。學(xué)科發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢要求教育模式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,就化學(xué)工藝學(xué)中流程的組織和設(shè)計而言,它應(yīng)該是一種多元價值綜合交叉的教育。
傳統(tǒng)的工藝學(xué)流程設(shè)計沒有反映學(xué)科交叉的綜合特點(diǎn),存在嚴(yán)重不足。本科生在設(shè)計工藝流程時習(xí)慣于模仿性設(shè)計而不是創(chuàng)新性設(shè)計,技術(shù)上重點(diǎn)偏重于工藝研究而弱于結(jié)構(gòu)-功能的設(shè)計研究,在設(shè)計模式上囿于剛性設(shè)計,一個設(shè)備對應(yīng)一種工藝和一種定型產(chǎn)品。更重要的是,工藝流程設(shè)計和組織只局限在技術(shù)層面,工科學(xué)生不懂得成本、經(jīng)營、管理,更缺少人文修養(yǎng)。針對這種情況,本科生教學(xué)過程中,應(yīng)鼓勵學(xué)生向其他專業(yè)的教師和本科生學(xué)習(xí),以彌補(bǔ)學(xué)生在化工設(shè)備、化工過程自動化和優(yōu)化控制、生態(tài)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會學(xué)等學(xué)科的不足,提高學(xué)生的綜合性思維、創(chuàng)造能力與創(chuàng)新設(shè)計能力。
當(dāng)代工程教育的基本思想是以人、自然、社會協(xié)調(diào)統(tǒng)一與可持續(xù)發(fā)展為基礎(chǔ)的人類福利價值創(chuàng)造[6]。依托地方資源優(yōu)勢所上的化工項(xiàng)目,不是單純地以增加當(dāng)?shù)氐腉DP為目的,而是在利用優(yōu)勢資源的同時,要遵循生態(tài)活動的規(guī)律,在更高的社會生活水平上重塑生態(tài)活動的方式,使社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和諧共處、可持續(xù)發(fā)展。我們必須在本科生教育階段,就要樹立和培養(yǎng)學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展觀念,應(yīng)該把化工項(xiàng)目的建設(shè)理解為生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)之中的生態(tài)社會現(xiàn)象,化工項(xiàng)目工藝流程的組織,生產(chǎn)控制,產(chǎn)品規(guī)格和副產(chǎn)物的分離與利用,能量的回收和利用,廢物的排放,都不能以影響生態(tài)環(huán)境為代價。
綠色化工是對傳統(tǒng)化工的一種挑戰(zhàn)。實(shí)施綠色化工教育,教師必須有強(qiáng)烈的綠色意識。這項(xiàng)工作需要教師在化學(xué)工藝學(xué)課堂教學(xué)準(zhǔn)備中多下功夫,吃透教材,利用自己的言行去感染學(xué)生,然后結(jié)合具體案例將綠色化工的知識巧妙而生動地滲透到教學(xué)過程的某些環(huán)節(jié)中,這樣學(xué)生在學(xué)知識的過程中,就自然地產(chǎn)生了保護(hù)環(huán)境、實(shí)施綠色化工的意識。勿庸質(zhì)疑,學(xué)生是未來我國化工行業(yè)的主力軍,針對他們加強(qiáng)綠色化工的教育,提高他們的綜合素質(zhì),就意味著我國化工工業(yè)走進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展行列。
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