甲醇合成工藝過(guò)程虛擬仿真到碳一化學(xué)產(chǎn)品的理論與生產(chǎn)實(shí)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(lèi)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(shí)踐的教學(xué)體系，課堂-仿真實(shí)踐-工廠(chǎng)實(shí)踐三位一體教學(xué)模式，強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐能力，“虛實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)踐能力。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(gè)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(lèi)催化反應(yīng)及應(yīng)用的科學(xué)稱(chēng)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(duì)石油的依賴(lài)中轉(zhuǎn)變到煤上來(lái)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有某些工業(yè)中的“廢氣”（CO、CO2）合理利用，特別是對(duì)煤的利用上，真正實(shí)現(xiàn)高附加值化及資源、能源、環(huán)保的高度統(tǒng)一，推動(dòng)化工可持續(xù)發(fā)展。自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)政府及科技界已適時(shí)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?jī)?nèi)容。經(jīng)過(guò)近三十年的蓬勃發(fā)展，目前我國(guó)碳一化學(xué)發(fā)展已與國(guó)際接軌。我國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。特色是學(xué)校生存和發(fā)展的動(dòng)力，緊跟行業(yè)發(fā)展形勢(shì)，積極推進(jìn)專(zhuān)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(xiàn)，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的途徑，與時(shí)俱進(jìn)是我校人才教育培養(yǎng)模式遵循的原則。我?；瘜W(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(shí)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(shì)，讓學(xué)生有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)建成立了以碳一化學(xué)為基礎(chǔ)的國(guó)家級(jí)“化工過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，其中的甲醇仿真工廠(chǎng)是按60萬(wàn)噸工業(yè)甲醇裝置比例1/10建設(shè)，全流程真實(shí)裝置、冷態(tài)與熱態(tài)相結(jié)合，讓學(xué)生達(dá)到實(shí)訓(xùn)效果。同時(shí)與“彰武金源化工有限公司”簽署了教學(xué)實(shí)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、了解碳一化學(xué)行業(yè)動(dòng)態(tài)，與時(shí)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(gè)碳原子與若干其他原子構(gòu)成的化合物，甲烷是最簡(jiǎn)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(jià)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(guó)擁有豐富的天然氣資源，現(xiàn)已探明的儲(chǔ)量為1.67萬(wàn)億M3，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量為26—33萬(wàn)億M3，約占世界遠(yuǎn)景儲(chǔ)量的1/10，且CH4可通過(guò)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(shí)，最新研究表明，中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量高達(dá)30萬(wàn)億立方米以上，居世界第一，幾乎是美國(guó)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(kāi)發(fā)途徑充分利用其價(jià)值，開(kāi)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(guò)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(shí)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(jiǎn)單的碳氧化合物是CO，C的最外層有4個(gè)電子，氧的最外層有6個(gè)電子，碳的2個(gè)單電子進(jìn)入到氧的p軌道和氧的2個(gè)單電子配對(duì)成鍵，形成兩個(gè)鍵，然后氧的孤電子對(duì)進(jìn)入到碳空的P軌道中形成一個(gè)配鍵，氧碳之間形成三個(gè)鍵，分子形狀為直線(xiàn)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(guò)煤氣化工藝制得，CO還可以從鋼廠(chǎng)和黃磷廠(chǎng)等工廠(chǎng)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(jiàn)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(kāi)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(jiǎn)單的含氧碳?xì)浠衔铮仁侵匾幕せ驹?，本身又是?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(guò)程而得到最廣泛的有機(jī)化工基本原料。真正實(shí)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(shí)驗(yàn)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(guò)程中，針對(duì)碳一化學(xué)項(xiàng)目由于高溫、高壓、易燃、易爆、高危險(xiǎn)、高度集成和大型化等原因，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，存在無(wú)法實(shí)現(xiàn)、無(wú)法開(kāi)展等問(wèn)題，我校重視以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與開(kāi)發(fā)為主要內(nèi)容，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的碳一化工過(guò)程虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，形成與現(xiàn)有實(shí)體實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)結(jié)合。積極開(kāi)展理論與實(shí)踐、教學(xué)與科研、模擬與仿真、虛擬與現(xiàn)實(shí)等相結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)于碳一化工的本科教育。目前的仿真工廠(chǎng)以煤制甲醇工業(yè)規(guī)模真實(shí)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(guó)內(nèi)外主流生產(chǎn)技術(shù)。為培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，結(jié)合實(shí)踐要求設(shè)計(jì)了部分可拆裝設(shè)備，以便學(xué)生拆裝、認(rèn)識(shí)掌握設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)；開(kāi)放性的故障點(diǎn)設(shè)置、情景化的真實(shí)操作等實(shí)現(xiàn)本專(zhuān)業(yè)學(xué)生熟悉掌握化工單元操作、化工工藝過(guò)程、過(guò)程裝備與自動(dòng)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(shí)踐教學(xué)目的。最終達(dá)成“人人能學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)能學(xué)”的化工過(guò)程高等教育實(shí)驗(yàn)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(shí)踐教學(xué)構(gòu)建

碳一化學(xué)的校內(nèi)理論實(shí)踐教學(xué)需要企業(yè)實(shí)踐鍛煉才能緊跟行業(yè)發(fā)展、了解市場(chǎng)需要、掌握工廠(chǎng)實(shí)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(shí)習(xí)基地協(xié)議，建立了穩(wěn)定的校外實(shí)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(guò)進(jìn)入工廠(chǎng)的實(shí)踐，使學(xué)生在校期間得到在企業(yè)實(shí)習(xí)的鍛煉機(jī)會(huì)，盡早明確本專(zhuān)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(shí)使學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合，有條件就復(fù)雜工程問(wèn)題與工程人員進(jìn)行有效的溝通和交流。

五、結(jié)語(yǔ)

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(zhuān)色特色，緊跟行業(yè)發(fā)展形勢(shì)，與時(shí)俱進(jìn)，為培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)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(chǎng)實(shí)踐教學(xué)，“理論-虛擬仿真-工廠(chǎng)實(shí)踐”三位一體的教學(xué)模式強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐能力，“虛實(shí)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(shí)和技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)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(shí)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。

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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