《化學(xué)工藝學(xué)》教學(xué)實踐與探討

史瑞欣

摘要：本文以天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化制合成氣的生產(chǎn)工藝為典型案例，對《化學(xué)工藝學(xué)》教學(xué)過程中，教師如何充分運用案例式、啟發(fā)式教學(xué)方法使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時，對化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程形成清晰的設(shè)計思路，建立科學(xué)的思維方法進行了探討。

關(guān)鍵詞：《化學(xué)工藝學(xué)》；典型案例；設(shè)計思路

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

《化學(xué)工藝學(xué)》是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是高等化工教育的核心內(nèi)容之一。該課程將學(xué)生所學(xué)的化學(xué)與化工基礎(chǔ)知識運用到產(chǎn)品工業(yè)化的實踐中，在化工專業(yè)課程體系中，具有承前啟后和知識集大成的特點。

化學(xué)工藝是以過程為研究目的，重點解決整個生產(chǎn)過程的組織、優(yōu)化；將各單項化學(xué)工程技術(shù)在以產(chǎn)品為目標(biāo)的前提下集成，解決各單元間的匹配、鏈接；在確保產(chǎn)品質(zhì)量的條件下，實現(xiàn)全系統(tǒng)的能量、物料及安全污染諸因素的優(yōu)化[1]。因此，在化工工程項目中，化學(xué)工藝承擔(dān)著核心作用。只有根據(jù)工藝的要求，才能合理利用化學(xué)工程、工業(yè)催化、化工機械和系統(tǒng)控制等學(xué)科的最新成就，提供所需設(shè)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(huán)保等均圍繞著如何滿足工藝要求而實施[2]。因此，《化學(xué)工藝學(xué)》課程在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和工程實踐能力的高水平化學(xué)工業(yè)科技人才中，占有舉足輕重的地位。

《化學(xué)工藝學(xué)》課程內(nèi)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(lǐng)域，綜合性強，工藝紛繁，流程復(fù)雜。為了使學(xué)生在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)對《化學(xué)工藝學(xué)》有深入的理解和清晰的學(xué)習(xí)思路，筆者就自身在教學(xué)實踐中的教學(xué)體會，提出應(yīng)通過選取典型案例，使學(xué)生明晰工藝開發(fā)思路，從而實現(xiàn)上述的教學(xué)目標(biāo)。

為了使學(xué)生在學(xué)習(xí)工藝學(xué)課程時能夠建立清晰的學(xué)習(xí)思路，了解化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝開發(fā)的主要過程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不是被動地接受教師對一個又一個化工產(chǎn)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(chǎn)品，按照“反應(yīng)原理—熱力學(xué)—動力學(xué)—工藝條件—反應(yīng)設(shè)備—工藝流程”這樣一條邏輯主線，完成對該產(chǎn)品工藝路線的學(xué)習(xí)，不僅“知其然”，更“知其所以然”，兩種學(xué)習(xí)效果的差別自是不言而喻。下面，將以“天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化制合成氣”為例，介紹如何在教學(xué)過程中，通過典型案例向?qū)W生介紹化工產(chǎn)品工藝開發(fā)的基本思路與主要步驟。

首先，向?qū)W生介紹甲烷水蒸氣轉(zhuǎn)化過程的主、副反應(yīng)，如（圖）式（1）—（6）所示，這是化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程的核心，也是產(chǎn)品生產(chǎn)工藝設(shè)計的入手點。

從上述的主、副反應(yīng)出發(fā)，教師首先與學(xué)生一起對反應(yīng)式進行觀察，總結(jié)反應(yīng)特點。甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化制合成氣的反應(yīng)特點可以歸納為以下三點：①主、副反應(yīng)均為可逆反應(yīng)；②主反應(yīng)（1）、（2）為強吸熱反應(yīng)，副反應(yīng)（4）為吸熱反應(yīng)，其余均為放熱反應(yīng)；③若操作條件不適當(dāng)，副產(chǎn)物大量產(chǎn)生，將發(fā)生析碳現(xiàn)象，應(yīng)特別注意防止。這些信息雖然并不復(fù)雜，但教師應(yīng)該使學(xué)生學(xué)會從上述幾方面，即反應(yīng)是否可逆，主、副反應(yīng)的熱效應(yīng)如何，主、副產(chǎn)物是否影響催化劑的催化活性，等等來觀察反應(yīng)式，獲取對熱力學(xué)、動力學(xué)分析有用的信息。這種對問題思考方式的培養(yǎng)，實際上都是在日常教學(xué)過程中逐漸實現(xiàn)的。接下來，教師將帶領(lǐng)學(xué)生一起分析該生產(chǎn)過程的熱力學(xué)特點，討論溫度、水碳比和壓力對化學(xué)平衡的影響。首先是對溫度的分析。為了方便學(xué)生分析問題，教師可以一邊與學(xué)生回憶，一邊在黑板上把溫度對化學(xué)平衡影響的規(guī)律簡要地列出來，利用這個規(guī)律學(xué)生可以看出，甲烷與水蒸氣反應(yīng)生成CO和H2是吸熱的可逆反應(yīng)，因此升高反應(yīng)溫度將使產(chǎn)物CO和H2的平衡產(chǎn)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(yīng)是放熱的可逆反應(yīng)，高溫不利于該反應(yīng)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(yīng)，但溫度過高將有利于甲烷的裂解。這些結(jié)論都是將溫度對反應(yīng)平衡的影響規(guī)律應(yīng)用于甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化過程并根據(jù)主、副反應(yīng)的熱效應(yīng)分析得到的，在思維邏輯上并不復(fù)雜，學(xué)生從這里著手，不會產(chǎn)生畏難情緒。為了增強學(xué)生的感性認(rèn)識，當(dāng)學(xué)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(yīng)平衡常數(shù)隨溫度變化的實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生更加直觀地體會到，他們通過科學(xué)地分析所得到的結(jié)論是能夠經(jīng)得住實踐檢驗的。

采用與上述教學(xué)過程相似的組織方法和教法，教師繼續(xù)與學(xué)生完成對水碳比和壓力的分析，從而得到下述結(jié)論，即從反應(yīng)平衡的角度考慮，甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化過程應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)母邷亍⑸缘偷膲毫透咚急取?/p>

在現(xiàn)代化工生產(chǎn)中，近90%的化學(xué)反應(yīng)需使用催化劑，因此學(xué)生應(yīng)對重要反應(yīng)類型所使用的催化劑有所了解，并對催化劑在化工生產(chǎn)中的影響引起足夠重視。甲烷水蒸氣轉(zhuǎn)化過程也是在催化劑的催化作用下，實現(xiàn)在較低的反應(yīng)溫度獲得理想的反應(yīng)速率，從而使該過程具備了工業(yè)生產(chǎn)價值。在對其反應(yīng)動力學(xué)進行分析時，依據(jù)的是催化條件下的動力學(xué)方程。首先，討論溫度的影響。當(dāng)溫度升高時，反應(yīng)速率常數(shù)增大，由相關(guān)的動力學(xué)方程可知，反應(yīng)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(yīng)有了提高，對反應(yīng)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(yīng)速率不一定高，反之亦然，因此水碳比要適當(dāng)。

教師在引領(lǐng)學(xué)生完成上述熱力學(xué)與動力學(xué)特征分析后，以此為理論依據(jù)，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(xué)過程進行介紹。從熱力學(xué)特征來看，低壓有利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)進行。從動力學(xué)特征看，反應(yīng)初期，加壓使反應(yīng)速率加快，但當(dāng)反應(yīng)接近平衡時，由于產(chǎn)物濃度高，此時加壓反而會降低反應(yīng)速率。因此，從化學(xué)角度看，壓力不宜過高。但實際生產(chǎn)過程還需從工程角度考慮，由于甲烷轉(zhuǎn)化制合成氣的主反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，需要外部供熱使反應(yīng)在一定溫度下順利進行，而大的給熱系數(shù)是強化傳熱的前提，提高壓力能夠有效提高給熱系數(shù)，因此提高操作壓力對傳熱有利，并且加壓還可以減小設(shè)備、管道的體積，提高設(shè)備的生產(chǎn)強度。從上述化學(xué)、工程角度進行綜合考慮，確定甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化過程的操作壓力為3MPa左右。在3MPa的壓力下，若使反應(yīng)器出口殘余甲烷含量低至0.3%（干基），反應(yīng)溫度需達到1000℃，但反應(yīng)器的材質(zhì)經(jīng)受不了這么高的溫度，因此甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化制合成氣的生產(chǎn)工藝要求將轉(zhuǎn)化過程分為兩段進行。從一段、二段轉(zhuǎn)化爐對反應(yīng)溫度的要求為出發(fā)點，教師引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點、反應(yīng)器的材質(zhì)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(chǎn)工藝流程和典型設(shè)備進行學(xué)習(xí)。

通過上述內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生對天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化制合成氣這個氣固相催化反應(yīng)過程的工藝特點有了較為深入的了解，當(dāng)學(xué)生再接觸類似的生產(chǎn)過程時，將能夠按照這種對相關(guān)問題的思考方式進行正確的分析，這正是我們的教學(xué)目的所在。正所謂“授之以魚不如授之以漁”，通過對工藝學(xué)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生逐步建立總體觀念、系統(tǒng)觀念，不僅有解決局部問題的本領(lǐng)，更具備統(tǒng)領(lǐng)全局，建立以產(chǎn)品為目標(biāo)的全系統(tǒng)優(yōu)化合成的理念[2]，這正是《化學(xué)工藝學(xué)》課程的精髓所在。

參考文獻：

[1]米鎮(zhèn)濤.化學(xué)工藝學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]米鎮(zhèn)濤，張香文，王苙.當(dāng)代“化學(xué)工藝學(xué)”的地位與展望[J].化學(xué)工業(yè)與工程，2005，（22）：75-77.endprint