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課堂教導與綠色化工意識訓練探索論文
重視案例教學,增強學生對綠色化工的感性認識采用綠色工藝、實行清潔生產(chǎn)是當代化工的發(fā)展趨勢和必然選擇。為增強學生的感性認識,授課中引入經(jīng)典案例配合理論方面的講解,會達到事半功倍的教學效果。為了表達方便,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,是重要的基礎有機化工原料。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,是精細化工產(chǎn)品的重要原料,廣泛應用于汽車、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(DowChemical)公司。采用傳統(tǒng)的石灰(氫氧化鈣)工藝,反應方程式如下:(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,難以處理。該工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的次氯酸對設備的腐蝕也比較嚴重。
針對這些問題,美國陶氏化學(DowChemica1)公司對傳統(tǒng)的石灰(氫氧化鈣)工藝進行了改進,采用NaOH代替石灰進行皂化反應,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)化學公司開發(fā)了異丙苯氧化法(CHP法)。共氧化法的反應方程式如下[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。因為聯(lián)產(chǎn)物叔丁醇、異丁烯和苯乙烯有廣泛的應用,售價也高,因此PO/TBA法和PO/SM法得以廣泛應用。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,其化學反應方程式為:(式略)由于HPPO法存在H2O2的運輸問題,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直接萃取后進入環(huán)氧丙烷的反應器,極大地降低了生產(chǎn)的成本。該工藝在經(jīng)濟、環(huán)境和技術方面具有獨特的優(yōu)勢,是今后新建PO裝置主要采用的生產(chǎn)工藝。
基礎知識和科學前沿相結合化學工藝學所涉及的內(nèi)容是相同的,一般包括原料的選擇和預處理,生產(chǎn)方法的選擇及方法原理,設備的選擇,結構和操作,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經(jīng)濟評價等問題。在教學過程中,我們強調(diào)用基礎知識解決實際問題。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,我們從化學平衡出發(fā),通過甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過程中主副反應的熱力學數(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),從動力學角度看,反應初期增加系統(tǒng)壓力有利于加快反應速率。但到了反應后期,反應平衡時,加壓會降低反應速率,對平衡有不利影響,因此更需要提高溫度來補償。在3.0MPa、1000℃的條件下使甲烷的干基含量降至0.3%,會嚴重地影響反應管的壽命。如何解決這一實際問題,依據(jù)熱力學和動力學分析,結合反應設備,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經(jīng)濟評價等問題進行分析,通過追蹤文獻,讓學生了解該工藝的發(fā)展勢態(tài)和綠色工藝的應用。隨著現(xiàn)代化工新技術、新設備、新材料的不斷出現(xiàn),適當補充和更新部分教學內(nèi)容,將膜分離技術、超聲波促進萃取傳質(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,不但擴大了課堂的信息量,又開闊了學生的思路。培養(yǎng)當代工程教育的教育理念20世紀以來,學科在分工越來越細、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。學科發(fā)展的特點和趨勢要求教育模式進行相應的調(diào)整,就化學工藝學中流程的組織和設計而言,它應該是一種多元價值綜合交叉的教育。
傳統(tǒng)的工藝學流程設計沒有反映學科交叉的綜合特點,存在嚴重不足。本科生在設計工藝流程時習慣于模仿性設計而不是創(chuàng)新性設計,技術上重點偏重于工藝研究而弱于結構-功能的設計研究,在設計模式上囿于剛性設計,一個設備對應一種工藝和一種定型產(chǎn)品。更重要的是,工藝流程設計和組織只局限在技術層面,工科學生不懂得成本、經(jīng)營、管理,更缺少人文修養(yǎng)。針對這種情況,本科生教學過程中,應鼓勵學生向其他專業(yè)的教師和本科生學習,以彌補學生在化工設備、化工過程自動化和優(yōu)化控制、生態(tài)科學、經(jīng)濟學和社會學等學科的不足,提高學生的綜合性思維、創(chuàng)造能力與創(chuàng)新設計能力。
當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)勢所上的化工項目,不是單純地以增加當?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、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)學生的可持續(xù)發(fā)展觀念,應該把化工項目的建設理解為生態(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)。實施綠色化工教育,教師必須有強烈的綠色意識。這項工作需要教師在化學工藝學課堂教學準備中多下功夫,吃透教材,利用自己的言行去感染學生,然后結合具體案例將綠色化工的知識巧妙而生動地滲透到教學過程的某些環(huán)節(jié)中,這樣學生在學知識的過程中,就自然地產(chǎn)生了保護環(huán)境、實施綠色化工的意識。勿庸質(zhì)疑,學生是未來我國化工行業(yè)的主力軍,針對他們加強綠色化工的教育,提高他們的綜合素質(zhì),就意味著我國化工工業(yè)走進了可持續(xù)發(fā)展行列。
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