《化學工藝學》教學實踐與探討

史瑞欣

摘要：本文以天然氣蒸氣轉化制合成氣的生產工藝為典型案例，對《化學工藝學》教學過程中，教師如何充分運用案例式、啟發式教學方法使學生在學習本課程時，對化工產品生產工藝流程形成清晰的設計思路，建立科學的思維方法進行了探討。

關鍵詞：《化學工藝學》；典型案例；設計思路

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）40-0158-02

《化學工藝學》是化學工程與工藝專業的一門重要的專業基礎課程，是高等化工教育的核心內容之一。該課程將學生所學的化學與化工基礎知識運用到產品工業化的實踐中，在化工專業課程體系中，具有承前啟后和知識集大成的特點。

化學工藝是以過程為研究目的，重點解決整個生產過程的組織、優化；將各單項化學工程技術在以產品為目標的前提下集成，解決各單元間的匹配、鏈接；在確保產品質量的條件下，實現全系統的能量、物料及安全污染諸因素的優化[1]。因此，在化工工程項目中，化學工藝承擔著核心作用。只有根據工藝的要求，才能合理利用化學工程、工業催化、化工機械和系統控制等學科的最新成就，提供所需設備，組織合成出最先進的流程，其他諸如土建工程、公用工程、安全與環保等均圍繞著如何滿足工藝要求而實施[2]。因此，《化學工藝學》課程在培養具有創新精神和工程實踐能力的高水平化學工業科技人才中，占有舉足輕重的地位。

《化學工藝學》課程內容涉及面廣，涵蓋了無機化工、有機化工、高分子化工、精細化工和生物化工等領域，綜合性強，工藝紛繁，流程復雜。為了使學生在有限的教學學時內對《化學工藝學》有深入的理解和清晰的學習思路，筆者就自身在教學實踐中的教學體會，提出應通過選取典型案例，使學生明晰工藝開發思路，從而實現上述的教學目標。

為了使學生在學習工藝學課程時能夠建立清晰的學習思路，了解化工產品生產工藝開發的主要過程，使學生在學習過程中不是被動地接受教師對一個又一個化工產品的工藝路線簡單、枯燥的介紹，而是能夠與教師在課堂上一起針對一個產品，按照“反應原理—熱力學—動力學—工藝條件—反應設備—工藝流程”這樣一條邏輯主線，完成對該產品工藝路線的學習，不僅“知其然”，更“知其所以然”，兩種學習效果的差別自是不言而喻。下面，將以“天然氣蒸氣轉化制合成氣”為例，介紹如何在教學過程中，通過典型案例向學生介紹化工產品工藝開發的基本思路與主要步驟。

首先，向學生介紹甲烷水蒸氣轉化過程的主、副反應，如（圖）式（1）—（6）所示，這是化工產品生產過程的核心，也是產品生產工藝設計的入手點。

從上述的主、副反應出發，教師首先與學生一起對反應式進行觀察，總結反應特點。甲烷蒸氣轉化制合成氣的反應特點可以歸納為以下三點：①主、副反應均為可逆反應；②主反應（1）、（2）為強吸熱反應，副反應（4）為吸熱反應，其余均為放熱反應；③若操作條件不適當，副產物大量產生，將發生析碳現象，應特別注意防止。這些信息雖然并不復雜，但教師應該使學生學會從上述幾方面，即反應是否可逆，主、副反應的熱效應如何，主、副產物是否影響催化劑的催化活性，等等來觀察反應式，獲取對熱力學、動力學分析有用的信息。這種對問題思考方式的培養，實際上都是在日常教學過程中逐漸實現的。接下來，教師將帶領學生一起分析該生產過程的熱力學特點，討論溫度、水碳比和壓力對化學平衡的影響。首先是對溫度的分析。為了方便學生分析問題，教師可以一邊與學生回憶，一邊在黑板上把溫度對化學平衡影響的規律簡要地列出來，利用這個規律學生可以看出，甲烷與水蒸氣反應生成CO和H2是吸熱的可逆反應，因此升高反應溫度將使產物CO和H2的平衡產率提高，原料CH4的平衡含量降低。同時，由于一氧化碳變換反應是放熱的可逆反應，高溫不利于該反應的進行，可以減少二氧化碳的生成，并且高溫還會抑制一氧化碳歧化和還原析碳這兩個放熱型的副反應，但溫度過高將有利于甲烷的裂解。這些結論都是將溫度對反應平衡的影響規律應用于甲烷蒸氣轉化過程并根據主、副反應的熱效應分析得到的，在思維邏輯上并不復雜，學生從這里著手，不會產生畏難情緒。為了增強學生的感性認識，當學生跟隨教師的思路完成上述的分析過程后，教師可以將主、副反應平衡常數隨溫度變化的實驗數據呈現給學生，使學生更加直觀地體會到，他們通過科學地分析所得到的結論是能夠經得住實踐檢驗的。

采用與上述教學過程相似的組織方法和教法，教師繼續與學生完成對水碳比和壓力的分析，從而得到下述結論，即從反應平衡的角度考慮，甲烷蒸氣轉化過程應該采用適當的高溫、稍低的壓力和高水碳比。

在現代化工生產中，近90%的化學反應需使用催化劑，因此學生應對重要反應類型所使用的催化劑有所了解，并對催化劑在化工生產中的影響引起足夠重視。甲烷水蒸氣轉化過程也是在催化劑的催化作用下，實現在較低的反應溫度獲得理想的反應速率，從而使該過程具備了工業生產價值。在對其反應動力學進行分析時，依據的是催化條件下的動力學方程。首先，討論溫度的影響。當溫度升高時，反應速率常數增大，由相關的動力學方程可知，反應速率也增大。其次，討論壓力的影響。如果提高總壓，則各組分壓也相應有了提高，對反應初期速率提高很有利。最后，討論組分的影響。水碳比過高，雖然水蒸氣分壓高，但甲烷分壓過低，反應速率不一定高，反之亦然，因此水碳比要適當。

教師在引領學生完成上述熱力學與動力學特征分析后，以此為理論依據，對工藝條件進行選擇。本文僅以操作壓力為例，對教師的教學過程進行介紹。從熱力學特征來看，低壓有利于轉化反應進行。從動力學特征看，反應初期，加壓使反應速率加快，但當反應接近平衡時，由于產物濃度高，此時加壓反而會降低反應速率。因此，從化學角度看，壓力不宜過高。但實際生產過程還需從工程角度考慮，由于甲烷轉化制合成氣的主反應是吸熱反應，需要外部供熱使反應在一定溫度下順利進行，而大的給熱系數是強化傳熱的前提，提高壓力能夠有效提高給熱系數，因此提高操作壓力對傳熱有利，并且加壓還可以減小設備、管道的體積，提高設備的生產強度。從上述化學、工程角度進行綜合考慮，確定甲烷蒸氣轉化過程的操作壓力為3MPa左右。在3MPa的壓力下，若使反應器出口殘余甲烷含量低至0.3%（干基），反應溫度需達到1000℃，但反應器的材質經受不了這么高的溫度，因此甲烷蒸氣轉化制合成氣的生產工藝要求將轉化過程分為兩段進行。從一段、二段轉化爐對反應溫度的要求為出發點，教師引導學生從反應器的結構特點、反應器的材質要求、不同溫位的余熱回收等方面進行分析，進而對合成氣生產工藝流程和典型設備進行學習。

通過上述內容的學習，學生對天然氣蒸氣轉化制合成氣這個氣固相催化反應過程的工藝特點有了較為深入的了解，當學生再接觸類似的生產過程時，將能夠按照這種對相關問題的思考方式進行正確的分析，這正是我們的教學目的所在。正所謂“授之以魚不如授之以漁”，通過對工藝學的學習，使學生逐步建立總體觀念、系統觀念，不僅有解決局部問題的本領，更具備統領全局，建立以產品為目標的全系統優化合成的理念[2]，這正是《化學工藝學》課程的精髓所在。

參考文獻：

[1]米鎮濤.化學工藝學[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2]米鎮濤，張香文，王苙.當代“化學工藝學”的地位與展望[J].化學工業與工程，2005，（22）：75-77.endprint