原创《甲醇合成工艺过程虚拟仿真到碳一化学产品的理论和生产实践的构建》
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一、概述20世纪70年代,日本首先提出了碳一化学的概念.即：以一个碳原子的化合物（CO、CO2、甲烷、甲醇等）为原料合成化学产品,而研究这类催化反应及应用的科学称之为碳一化学.碳一化学涉及的产品繁多,可使许多有机化工产品从对石油的依赖中转变到煤上来,还能实现对现有某些工业中的“废气”（CO、CO2）合理利用,特别是对煤的利用上,真正实现高附加值化及资源、能源、环保的高度统一,推动化工可持续发展.自上世纪80年始,我国政府及科技界已适时地瞄准这一高科技领域,加强了碳一化学的研究,将其列为“八五”科研规划重点研究内容.经过近三十年的蓬勃发展,目前我国碳一化学发展已与国际接轨.我国高等院校也都参与了相关的教育和研究,清华大学、天津大学等单位还建立了碳一化学国家重点实验室.特色是学校生存和发展的动力,紧跟行业发展形势,积极推进专业转型,以素质教育为核心,技术应用能力为主线,产学研相结合的途径,与时俱进是我校人才教育培养模式遵循的原则.我校化学工程学院高度重视碳一化学的研究和教学工作,投入了大量的师资力量,建立完善的理论、实践教学体系.首先采用轮讲方式向学生讲授碳一化学的基本理论和当前发展趋势,让学生有扎实的理论基础.同时建成立了以碳一化学为基础的国家级“化工过程虚拟仿真实验教学中心”,其中的甲醇仿真工厂是按60万吨工业甲醇装置比例1/10建设,全流程真实装置、冷态与热态相结合,让学生达到实训效果.同时与“彰武金源化工有限公司”签署了教学实践基地,加强与企业联系、沟通,让学生积累工业生产实践经验、了解碳一化学行业动态,与时俱进、知行合一,培养碳一化学领域实用型人才.
二、碳一化学理论基础1.以甲烷为基础的碳一化学反应,碳一化学品主要是一个碳原子与若干其他原子构成的化合物,甲烷是最简单的碳一化工产品,化学式CH4,中心碳原子采取SP3等性杂化轨道方式与氢原子的S轨道电子形成共价键,为四面体结构,其中化学键和键角是等同的,H-C-H键角为109°28′甲烷是天然气的主要成分,我国拥有丰富的天然气资源,现已探明的储量为1.67万亿M3,远景储量为26—33万亿M3,约占世界远景储量的1/10,且CH4可通过废弃生物质发酵获得,生物沼气中含有大量的甲烷（50%—80%）,同时,最新研究表明,中国页岩气储量高达30万亿立方米以上,居世界第一,几乎是美国的两倍.当前甲烷主要以作为燃料方式粗放式应用,碳一化学是要寻求有效的开发途径充分利用其价值,开发高品位、高附加值产品.甲烷重整是高效利用天然气的有效途径之一.通过甲烷重整得到的合成气（CO+H2）是合成清洁液体燃料的基础,同时能够得到高品位氢能源.2.以CO为基础的碳一化学反应,碳一化学最简单的碳氧化合物是CO,C的最外层有4个电子,氧的最外层有6个电子,碳的2个单电子进入到氧的p轨道和氧的2个单电子配对成键,形成两个键,然后氧的孤电子对进入到碳空的P轨道中形成一个配键,氧碳之间形成三个键,分子形状为直线形.合成气（CO、H2）是碳一化学研究领域最基础原料,CO是合成气组成的核心.合成气可通过煤气化工艺制得,CO还可以从钢厂和黄磷厂等工厂废气中回收利用.CO的主要反应有加氢反应和羰基化反应等.加氢反应最为典型的反应工艺有费托合成（FT）,甲醇合成等.CO是重要的羰化剂,醇、酯羰基化可分别得到酸和酐,某些醇经氧化、羰基化可以得到草酸酯,如甲醇羰基化制醋酸,已成为工业制醋酸的主要方法.3. 以CO2为基础的碳一化学反应,CO2与其他碳一化合物的根本不同点在于它是含碳化合物的最终氧化物.其物理性质方面的应用主要有：用作惰性气体、冷却剂、压力源等；其化学性质方面的应用主要有：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,此外还利用CO2和共聚的反应机理进一步可制得聚碳酸酯、聚醚、聚脲等.关于CO2与甲烷催化重整反应和CO2直接加氢制备甲醇等研究也成为当前热点研究课题,可见CO2比其他碳一化学品蕴藏着更大的潜力,只是有待进一步开发而已.4.以甲醇为基础的碳一化学,甲醇是经煤气化合成的最简单的含氧碳氢化合物,它既是重要的化工基本原料,本身又是优质、清洁的液体能源.其利用可分为能源利用和化学深加工两大领域.其下游产品丰富,是碳一化学中较重要的中心产品.利用甲醇,既可合成燃料,其本身作燃料还能减轻环境污染.更重要的是在化工领域,经一系列反应,如羰基化、烷基化、氧化脱氢等过程而得到最广泛的有机化工基本原料.真正实现煤的利用高附加值化,为化工原料从石油化工到煤化工的战略转移创造有利条件.
三、碳一化学虚拟仿真实验教学随着应用型人才培养的需要,在提高学生工程与创新能力培养过程中,针对碳一化学项目由于高温、高压、易燃、易爆、高危险、高度集成和大型化等原因,在实际教学过程中,存在无法实现、无法开展等问题,我校重视以虚拟仿真实验教学的研究与开发为主要内容,利用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建高度仿真的碳一化工过程虚拟实验环境和实验对象,形成与现有实体实验的虚实结合.积极开展理论与实践、教学与科研、模拟与仿真、虚拟与现实等相结合的虚拟仿真实验教学工作.我们以碳一化工典型生产工艺———甲醇合成为教学模型展开关于碳一化工的本科教育.目前的仿真工厂以煤制甲醇工业规模真实装置为背景,气化工序采用鲁奇炉,甲醇合成采用鲁奇低压法,精馏采用三塔流程,均为国内外主流生产技术.为培养学生的工程实践能力,结合实践要求设计了部分可拆装设备,以便学生拆装、认识掌握设备内部结构；开放性的故障点设置、情景化的真实操作等实现本专业学生熟悉掌握化工单元操作、化工工艺过程、过程装备与自动控制、操作优化、化工安全与环保、节能、操作规程等实践教学目的.最终达成“人人能学、处处能学、时时能学”的化工过程高等教育实验教学信息化目标提供了有力保障.
四、碳一化学相关校外实践教学构建碳一化学的校内理论实践教学需要企业实践锻炼才能紧跟行业发展、了解市场需要、掌握工厂实践生产情况.学校与碳一化学相关的“彰武金源化工有限公司”签订了实习基地协议,建立了稳定的校外实习基地.该公司以银催化剂催化甲醇制甲醛,是经典的以甲醇为基础的碳一化学反应工艺.通过进入工厂的实践,使学生在校期间得到在企业实习的锻炼机会,尽早明确本专业特点及今后的就业方向,明晰大学目标,更加珍惜大学生活.同时使学生理论与实践相结合,有条件就复杂工程问题与工程人员进行有效的沟通和交流.
五、结语碳一化学是当前化工行业热点研究方向,相关教学能够突出化工专色特色,紧跟行业发展形势,与时俱进,为培养适应社会需求应用型高端人才提供有力支持.系统的理论教学配合校内虚拟仿真和校外工厂实践教学,“理论-虚拟仿真-工厂实践”三位一体的教学模式强化学生理论联系实践能力,“虚实结合、相互补充”让学生全方位掌握碳一化学相关知识和技术.总的来说该模式教学取得了一定的教学效果,提高了教学质量.该教学模式在应用的同时也在不断地持续改进,相关的教学管理等仍需要进一步探索和研究.
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