甲醇合成工藝過程虛擬仿真到碳一化學(xué)產(chǎn)品的理論與生產(chǎn)實踐的構(gòu)建

傘曉廣+高恩軍+李雪+孟丹+王康軍

摘要：碳一化學(xué)相關(guān)應(yīng)用型人才培養(yǎng)，是當(dāng)前化工類高校特色辦學(xué)的定位點(diǎn)之一。建立完善的理論聯(lián)系實踐的教學(xué)體系，課堂-仿真實踐-工廠實踐三位一體教學(xué)模式，強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實踐能力，“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充”讓學(xué)生全方位掌握碳一化學(xué)相關(guān)知識和技術(shù)。該教學(xué)模式將推進(jìn)混合式教學(xué)模式的探索與實踐。教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新，進(jìn)而改善學(xué)生的學(xué)習(xí)、生活方式和創(chuàng)新思維、實踐能力。

關(guān)鍵詞：碳一化學(xué)；虛擬仿真；理論聯(lián)系實踐；教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）22-0155-02

一、概述

20世紀(jì)70年代，日本首先提出了碳一化學(xué)的概念。即：以一個碳原子的化合物（CO、CO2、甲烷、甲醇等）為原料合成化學(xué)產(chǎn)品，而研究這類催化反應(yīng)及應(yīng)用的科學(xué)稱之為碳一化學(xué)。碳一化學(xué)涉及的產(chǎn)品繁多，可使許多有機(jī)化工產(chǎn)品從對石油的依賴中轉(zhuǎn)變到煤上來，還能實現(xiàn)對現(xiàn)有某些工業(yè)中的“廢氣”（CO、CO2）合理利用，特別是對煤的利用上，真正實現(xiàn)高附加值化及資源、能源、環(huán)保的高度統(tǒng)一，推動化工可持續(xù)發(fā)展。自上世紀(jì)80年代開始，我國政府及科技界已適時地瞄準(zhǔn)這一高科技領(lǐng)域，加強(qiáng)了碳一化學(xué)的研究，將其列為“八五”科研規(guī)劃重點(diǎn)研究內(nèi)容。經(jīng)過近三十年的蓬勃發(fā)展，目前我國碳一化學(xué)發(fā)展已與國際接軌。我國高等院校也都參與了相關(guān)的教育和研究，清華大學(xué)、天津大學(xué)等單位還建立了碳一化學(xué)國家重點(diǎn)實驗室。特色是學(xué)校生存和發(fā)展的動力，緊跟行業(yè)發(fā)展形勢，積極推進(jìn)專業(yè)轉(zhuǎn)型，以素質(zhì)教育為核心，技術(shù)應(yīng)用能力為主線，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的途徑，與時俱進(jìn)是我校人才教育培養(yǎng)模式遵循的原則。我校化學(xué)工程學(xué)院高度重視碳一化學(xué)的研究和教學(xué)工作，投入了大量的師資力量，建立完善的理論、實踐教學(xué)體系。首先采用輪講方式向?qū)W生講授碳一化學(xué)的基本理論和當(dāng)前發(fā)展趨勢，讓學(xué)生有扎實的理論基礎(chǔ)。同時建成立了以碳一化學(xué)為基礎(chǔ)的國家級“化工過程虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，其中的甲醇仿真工廠是按60萬噸工業(yè)甲醇裝置比例1/10建設(shè)，全流程真實裝置、冷態(tài)與熱態(tài)相結(jié)合，讓學(xué)生達(dá)到實訓(xùn)效果。同時與“彰武金源化工有限公司”簽署了教學(xué)實踐基地，加強(qiáng)與企業(yè)聯(lián)系、溝通，讓學(xué)生積累工業(yè)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗、了解碳一化學(xué)行業(yè)動態(tài)，與時俱進(jìn)、知行合一，培養(yǎng)碳一化學(xué)領(lǐng)域?qū)嵱眯腿瞬拧?/p>

二、碳一化學(xué)理論基礎(chǔ)

1.以甲烷為基礎(chǔ)的碳一化學(xué)反應(yīng)，碳一化學(xué)品主要是一個碳原子與若干其他原子構(gòu)成的化合物，甲烷是最簡單的碳一化工產(chǎn)品，化學(xué)式CH4，中心碳原子采取SP3等性雜化軌道方式與氫原子的S軌道電子形成共價鍵，為四面體結(jié)構(gòu)，其中化學(xué)鍵和鍵角是等同的，H-C-H鍵角為109°28′甲烷是天然氣的主要成分，我國擁有豐富的天然氣資源，現(xiàn)已探明的儲量為1.67萬億M3，遠(yuǎn)景儲量為26—33萬億M3，約占世界遠(yuǎn)景儲量的1/10，且CH4可通過廢棄生物質(zhì)發(fā)酵獲得，生物沼氣中含有大量的甲烷（50%—80%），同時，最新研究表明，中國頁巖氣儲量高達(dá)30萬億立方米以上，居世界第一，幾乎是美國的兩倍。當(dāng)前甲烷主要以作為燃料方式粗放式應(yīng)用，碳一化學(xué)是要尋求有效的開發(fā)途徑充分利用其價值，開發(fā)高品位、高附加值產(chǎn)品。甲烷重整是高效利用天然氣的有效途徑之一。通過甲烷重整得到的合成氣（CO+H2）是合成清潔液體燃料的基礎(chǔ)，同時能夠得到高品位氫能源。

2.以CO為基礎(chǔ)的碳一化學(xué)反應(yīng)，碳一化學(xué)最簡單的碳氧化合物是CO，C的最外層有4個電子，氧的最外層有6個電子，碳的2個單電子進(jìn)入到氧的p軌道和氧的2個單電子配對成鍵，形成兩個鍵，然后氧的孤電子對進(jìn)入到碳空的P軌道中形成一個配鍵，氧碳之間形成三個鍵，分子形狀為直線形。合成氣（CO、H2）是碳一化學(xué)研究領(lǐng)域最基礎(chǔ)原料，CO是合成氣組成的核心。合成氣可通過煤氣化工藝制得，CO還可以從鋼廠和黃磷廠等工廠廢氣中回收利用。CO的主要反應(yīng)有加氫反應(yīng)和羰基化反應(yīng)等。加氫反應(yīng)最為典型的反應(yīng)工藝有費(fèi)托合成（FT），甲醇合成等。CO是重要的羰化劑，醇、酯羰基化可分別得到酸和酐，某些醇經(jīng)氧化、羰基化可以得到草酸酯，如甲醇羰基化制醋酸，已成為工業(yè)制醋酸的主要方法。

3.以CO2為基礎(chǔ)的碳一化學(xué)反應(yīng)，CO2與其他碳一化合物的根本不同點(diǎn)在于它是含碳化合物的最終氧化物。其物理性質(zhì)方面的應(yīng)用主要有：用作惰性氣體、冷卻劑、壓力源等；其化學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用主要有：用于羧酸的合成、尿素的合成、氨基甲酸酯的合成、碳酸酯的合成，此外還利用CO2和共聚的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)一步可制得聚碳酸酯、聚醚、聚脲等。關(guān)于CO2與甲烷催化重整反應(yīng)和CO2直接加氫制備甲醇等研究也成為當(dāng)前熱點(diǎn)研究課題，可見CO2比其他碳一化學(xué)品蘊(yùn)藏著更大的潛力，只是有待進(jìn)一步開發(fā)而已。

4.以甲醇為基礎(chǔ)的碳一化學(xué)，甲醇是經(jīng)煤氣化合成的最簡單的含氧碳?xì)浠衔铮仁侵匾幕せ驹希旧碛质莾?yōu)質(zhì)、清潔的液體能源。其利用可分為能源利用和化學(xué)深加工兩大領(lǐng)域。其下游產(chǎn)品豐富，是碳一化學(xué)中較重要的中心產(chǎn)品。利用甲醇，既可合成燃料，其本身作燃料還能減輕環(huán)境污染。更重要的是在化工領(lǐng)域，經(jīng)一系列反應(yīng)，如羰基化、烷基化、氧化脫氫等過程而得到最廣泛的有機(jī)化工基本原料。真正實現(xiàn)煤的利用高附加值化，為化工原料從石油化工到煤化工的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移創(chuàng)造有利條件。

三、碳一化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)

隨著應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，在提高學(xué)生工程與創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中，針對碳一化學(xué)項目由于高溫、高壓、易燃、易爆、高危險、高度集成和大型化等原因，在實際教學(xué)過程中，存在無法實現(xiàn)、無法開展等問題，我校重視以虛擬仿真實驗教學(xué)的研究與開發(fā)為主要內(nèi)容，利用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的碳一化工過程虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，形成與現(xiàn)有實體實驗的虛實結(jié)合。積極開展理論與實踐、教學(xué)與科研、模擬與仿真、虛擬與現(xiàn)實等相結(jié)合的虛擬仿真實驗教學(xué)工作。我們以碳一化工典型生產(chǎn)工藝——甲醇合成為教學(xué)模型展開關(guān)于碳一化工的本科教育。目前的仿真工廠以煤制甲醇工業(yè)規(guī)模真實裝置為背景，氣化工序采用魯奇爐，甲醇合成采用魯奇低壓法，精餾采用三塔流程，均為國內(nèi)外主流生產(chǎn)技術(shù)。為培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，結(jié)合實踐要求設(shè)計了部分可拆裝設(shè)備，以便學(xué)生拆裝、認(rèn)識掌握設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)；開放性的故障點(diǎn)設(shè)置、情景化的真實操作等實現(xiàn)本專業(yè)學(xué)生熟悉掌握化工單元操作、化工工藝過程、過程裝備與自動控制、操作優(yōu)化、化工安全與環(huán)保、節(jié)能、操作規(guī)程等實踐教學(xué)目的。最終達(dá)成“人人能學(xué)、處處能學(xué)、時時能學(xué)”的化工過程高等教育實驗教學(xué)信息化目標(biāo)提供了有力保障。

四、碳一化學(xué)相關(guān)校外實踐教學(xué)構(gòu)建

碳一化學(xué)的校內(nèi)理論實踐教學(xué)需要企業(yè)實踐鍛煉才能緊跟行業(yè)發(fā)展、了解市場需要、掌握工廠實踐生產(chǎn)情況。學(xué)校與碳一化學(xué)相關(guān)的“彰武金源化工有限公司”簽訂了實習(xí)基地協(xié)議，建立了穩(wěn)定的校外實習(xí)基地。該公司以銀催化劑催化甲醇制甲醛，是經(jīng)典的以甲醇為基礎(chǔ)的碳一化學(xué)反應(yīng)工藝。通過進(jìn)入工廠的實踐，使學(xué)生在校期間得到在企業(yè)實習(xí)的鍛煉機(jī)會，盡早明確本專業(yè)特點(diǎn)及今后的就業(yè)方向，明晰大學(xué)目標(biāo)，更加珍惜大學(xué)生活。同時使學(xué)生理論與實踐相結(jié)合，有條件就復(fù)雜工程問題與工程人員進(jìn)行有效的溝通和交流。

五、結(jié)語

碳一化學(xué)是當(dāng)前化工行業(yè)熱點(diǎn)研究方向，相關(guān)教學(xué)能夠突出化工專色特色，緊跟行業(yè)發(fā)展形勢，與時俱進(jìn)，為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求應(yīng)用型高端人才提供有力支持。系統(tǒng)的理論教學(xué)配合校內(nèi)虛擬仿真和校外工廠實踐教學(xué)，“理論-虛擬仿真-工廠實踐”三位一體的教學(xué)模式強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實踐能力，“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充”讓學(xué)生全方位掌握碳一化學(xué)相關(guān)知識和技術(shù)。總的來說該模式教學(xué)取得了一定的教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。該教學(xué)模式在應(yīng)用的同時也在不斷地持續(xù)改進(jìn)，相關(guān)的教學(xué)管理等仍需要進(jìn)一步探索和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]H.D.Gesser，N.R.Hunter.A review of C-1 conversion chemistry[J].Catalysis Today，1998，42（3）：183-189.

[2]石洋.碳一化學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀[J].化工過程與裝備，2014，（9）：181-183.

[3]王欣榮.碳一化學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].廣西化工，1999，28（2）：28-31.

Construction of Methanol Synthesis Process Virtual Simulation to the Theory and Production Practice of C1 Chemical Products

SAN Xiao-guang，GAO En-jun，LI Xue，MENG Dan，WANG Kang-jun

（College of Chemical Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang，Liaoning 110142，China）

Abstract：Training practical talents for C1 chemistry is one positioning point of the school-running characteristics in the chemical Universities. Establishing perfect teaching system of theory with practice and a trinity of teaching mode by "teaching in classroom- simulation practice-plant practice" can make students combine theory with practice and omnidirectional master the knowledge and technology on C1 chemistry. This teaching mode will promote the exploration and practice of the model-blended teaching. Reform and innovation of teaching mode is changing the life style of university students and improving the ability of creative thinking and practice.

Key words：C1 chemistry；virtual simulation；theory with practice；teaching mode