化工过程分析与合成（共6篇）
化工过程分析与合成 篇1
化工过程分析与合成课程是一门具有综合性、应用性、研究性特色的化工类专业主干课程[1]。在教育部制订的面向21世纪化学工程与工艺专业培养方案中, 化工过程分析与合成课程被列为必修的化工基础课程, 其教学内容涉及几乎所有的化工专业课程知识, 是化工教学计划中教学内容重新整合力度较大的一门课程[2]。为了落实福州大学关于全面提高本科人才培养质量的实施意见, 本校针对《化工过程分析与合成》课程, 将原先专业方向选修课调整为专业必修课。作为一门专业必修课, 化工过程分析与合成的教学改革是笔者在实践“卓越计划”中着重思考的课题。近年来, 笔者以强化培养学生的工程实践能力和专业创新能力为重点, 在该课程的教学实践方面进行有益探索, 使学生的工程实践能力得到明显提升。
1 课程体系内容改革
化工过程分析与合成是将工程与工艺有机地结合起来, 并通过系统优化的思想研究分析化工过程系统中的规律的一门课程。它的任务是使学生能运用系统工程的观点和方法来对化工过程进行分析与合成, 使化工过程在开发、设计、操作、管理等各层面上达到最优化, 实现能源经济化。该课程的主要内容以文献[3]和[4]为主, 综合性强、知识点多。为了让学生在36课时内掌握系统工程的思想并应用于化工过程的优化, 笔者对该课程的内容重新进行梳理, 以化工过程的建模———模拟———分析———优化为主线, 整合其他教学内容, 形成如表1所示的课程体系。将化工模拟软件学习与课程讲授结合, 通过计算机模拟计算对实际化工生产过程进行分析, 锻炼学生应用理论知识解决实际工程问题的能力, 使学生获得创新实践能力与工程实践能力的训练。
2 工程案例分析培养学生工程实践能力
化工过程分析与合成课程的研究对象是化学工程问题, 但其研究方法与化学工程学科其他课程如化工热力学、化工原理、反应工程、分离工程等截然不同。该课程采用系统论、最优化方法等数学方法来分析问题和解决问题。因此, 该课程要求学生在具备运用数学方法分析问题的能力基础上, 将化工专业基础知识进行集成与整合, 以达到培养学生工程实践能力的目的。按传统的教学方法, 遵照教学大纲授课, 教学活动的逻辑清晰, 条理性强, 但学生常感到抽象、复杂, 更不懂如何有效将所学理论知识应用于工程实践中[5]。
为了避免此类情况, 培养学生的工程实践能力, 笔者力求将自己的科研工作内容融入课堂教学。在每次课堂授课之前布置工程案例供学生思考。这些案例主要来自企业委托的科研项目, 有的来自文献。通过实际工程案例的设计与分析, 引导学生如何运用所学的专业理论知识提出一个或多个解决方案, 然后结合本课程教学内容对各方案进行模拟与分析, 这大大激发学生的学习热情。例如, 在讲授分离序列合成知识点时, 笔者让学生对一个来自浙江企业委托的项目提出分离方案, 其中原料组成和分离要求见表2。
首先让学生分析待分离体系中各物质的沸点和共沸点及共沸组成。因为醋酸甲酯和甲酸乙酯的含量非常低, 因此可以考虑用甲醇把这两酯类物质带走, 然后再分离两主要成分———甲醇和乙醇, 得到以下两种分离方案, 见图1。
在此基础上, 引导学生如何分析方案的可行性, 比如考虑各分离方案的设备投资、分离能耗、产品甲醇和乙醇的回收率等。采用这种循序渐进的教学方法, 让学生能够较容易接受并能掌握解决复杂实际工业问题的完整思路, 培养了学生解决问题的能力, 锻炼学生的工程实践能力。
3 理论联系实际培养学生工程化思维
对于化工专业的课程, 理论教学必须联系实际, 引导学生结合实际准确理解和掌握理论知识, 强调工程应用, 培养学生的工程化思维。在《化工原理》课程学习时, 大部分学生已经掌握换热器的计算与设计。因此, 笔者在讲解换热网络合成时, 学生对Q=KAΔT这个换热公式非常熟悉, 但是对传热温差ΔT的选取主要依靠设计手册的经验值。在设计换热器时, 不仅要考虑换热器设备的价格, 还要兼顾公用工程、换热介质、操作弹性等因素。当换热器材质价格比较高而能源价格比较低时, ΔT可取较高的传热温差, 以减少换热面积, 例如钛材或不锈钢换热器。当能源价格比较高时, ΔT可取较高的传热温差, 以减少对公用工程的需求, 例如对冷冻换热系统, ΔT取5~10℃。因此, 将理论联系实际, 将工程化思维引入化工设计, 才能使设计更加的完善。再比如, 讲授化工过程最优化知识点时, 除了讲解各优化算法原理和使用范围外, 还更侧重讲解如何建立优化目标以及确定约束条件。例如, 对加氢反应器进行优化设计时, 要将催化剂的使用温度范围, 材质的的耐压范围作为一个约束条件。冷却水的温度一般与当地的气候条件相关, 因此涉及到这个变量时, 也应作一个约束条件。
4 多样化教学提高学生课堂学习热情
化工过程分析与合成课程含有众多的数学模型和优化算法, 内容抽象, 学生刚接触时普遍感觉枯燥无味。在课堂上进行详细的数学推导不仅占用有限的授课时间, 还会增加学生的厌学情绪。因此采用现代化教学手段辅助课堂教学, 使教学内容图文并茂, 静、动结合, 教学形式生动活泼, 提高学生的课堂学习热情, 对搞好课程的教学工作具有重要作用。
采用序贯模块法进行过程系统模拟时, 经常会涉及断裂流股的收敛问题。课程介绍的收敛方法有直接迭代法、加权迭代法、Wegstein法、Broyden法等。选择合适的收敛方法会提高求解速度和计算精度, 但是这在课堂中学生无法直接体会。因此, 在比较各迭代算法的稳定性和收敛速度, 笔者借助Excel的计算和绘图功能, 直观表达出不同迭代算法的收敛性和求解准确性。例如对于下列例子:
在Excel文件里键入对应的公式然后进行迭代计算, 结果如图2所示。采用这种方式, 更改初值或阻尼系数可以让学生方便直观地判断不同迭代算法收敛的稳定性、收敛速度以及对初值要求等。
化工过程动态模拟涉及大量的微分方程计算, 计算量大。可借助Aspen Dynamic软件对精馏塔的动态特性进行分析。改变操作变量, 得到不同时刻塔顶、塔釜的组成和流量的响应值。针对模拟结果, 引导学生进行分析探讨。这种在教学活动中通过精心设计的教学内容和教学素材, 可使学生的认识过程和情感过程得到协调发展, 从而激发学生的认知兴趣和进一步探索的学习欲望。
5 结论
以“卓越计划”培养工程技术人才为目标, 培养工科学生工程实践能力的思路, 是各高等院校的教学指导思想。笔者在化工过程分析与合成教学上的进行不断探索, 通过教学内容梳理, 将实际案例引入课堂教学, 理论联系实际, 锻炼学生的工程实践能力, 使学生具备对化工生产过程进行模拟、分析、评价以及优化的思维, 培养学生将化工过程分析与合成的基本方法运用于化工生产实践的能力。
摘要：化工过程分析与合成是一门综合的化工专业课程, 主要讲授化工生产过程模拟、分析和优化的原理和方法。本文从教学内容、教学方法和手段入手, 介绍了作者在化工过程分析与合成课程教学中应用工程思维进行创新实践教学的探索, 培养学生解决实际问题的创新能力的心得体会。
关键词：化工过程分析与合成,教学研究,教学实践
参考文献
[1]马立国, 孙德, 李天一, 等.化工过程合成与分析课程教学中的体会[J].化工高等教育, 2010, 112 (5) :81-83.[2]张海涛, 乐清华, 袁向前, 等.创新化工过程分析与开发课程体系提高成人教育工程素质[J].化工高等教育, 2010, 112 (2) :19-22.[3]麻德贤.化工过程分析与合成[M].北京:化学工业出版社, 2002:10.[4]张卫东.化工过程分析与合成[M].北京:化学工业出版社, 2011:8.[5]王春花, 朱庆英.化工过程分析与合成的教学实践与体会[J].广州化工, 2012, 37 (12) :179-180.
化工过程强化与微反应技术 篇2
文章编号:1005-6629(2009)07-0001-03中图分类号:G633.8文献标识码:B
1化工过程强化正在孕育化学工业的变革
化学工业与我们的生产和生活密切相关,医药、农药、塑料、橡胶、涂料、汽油、柴油等都是化学工业的产品。
传统化工给人的印象是高耸塔群林立,刺耳噪音不绝,刺激气味迎面扑鼻,粉尘液滴四处飞溅,能耗高且对环境的污染怵目惊心。不过,化工过程强化技术的出现正在改变这种情况。
如果说绿色化学侧重从化学反应本身来消除环境污染、充分利用资源、减少能源消耗;化工过程强化则强调在生产能力不变的情况下,在生产和加工过程中运用新技术和设备,极大地减小设备体积或者极大地提高设备的生产能力,显著地提升能量效率,大量地减少废物排放(在1995年召开的第一次化工过程强化国际会议上提出的)。化工过程强化目前已成为实现化工过程的高效、安全、环境友好、密集生产,推动社会和经济可持续发展的新兴技术。美、德等发达国家已将化工过程强化列为当前化学工程优先发展的三大领域之一。
2 微反应器技术—化工过程强化新设备
20世纪90年代以来,自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是微型化,特别是纳米材料与微电子机械系统的发展,引起研究者对小尺度和/或快速过程的极大兴趣。微型化设备除电子器件和微机械器件外,微型化工器件也逐渐成为其重要成员,如微混合器、微型反应器、微型换热器、微化学分析、微型萃取器、微型泵和微型阀门等。微型化工设备具有结构简单、无放大效应、操作条件易于控制和安全可靠等优点,得到众多研究者包括化学工程及其相关领域人士的极大关注。微化工器件的一些研究结果表明,在微米尺度下反应的转化率、选择性均有明显提高,传热系数和传质性能与传统设备相比显著强化,而且可以保证流体流动的均匀性和理想性。
当基于微反应器的反应技术刚起步发展时,人们普遍对其持有不理解甚至怀疑的态度。但经过近10年的研究和技术开发,今天微反应技术已不再处于襁褓期。已有一些微反应器作为商品问世并成功用于实际生产过程,导致令人难以置信的过程强化效果;这使人们感觉到该技术似乎是在一夜之间迸发出来的,显示出具有改变目前化学和化学工程方法论的势头,甚至蕴含着更大的技术革新。
微反应器,顾名思义这种反应装置是微型的,但它又决不是简单的由小型到微型尺度的变化,其最基本的特征是反应单元的微结构化,微结构的典型尺度为10-500 微米。
在微反应器技术的发展过程中,工业界的贡献起到了十分重要的作用,致力于技术革新的公司,如杜邦和BASF等从一开始就积极推动和促进微反应器技术的发展,Merck公司已经利用微反应技术实现了一个过程的工业化,其他还有Schering、Degussa-Hüls以及Bayer等公司。近年来,微反应器技术和科学的发展十分迅速,有关微制造、新材料、模型化、设计概念以及检测等相关知识也正在通过各种媒体传播,如图1所示。下面想借此机会,以实例展示微反应器技术的应用导致化工过程强化那完美和激动人心的一面。
3 化工过程强化的成功例证
例1:有机物的硝化反应,比如,在国防、采矿和水利建设中广发应用的TNT炸药的生产,是通过对一种有机化合物进行硝化反应来生产的。有机物的硝化反应速度非常快,几乎是瞬间就可完成,同时释放大量的反应热。如果反应过程中产生的热量不能及时移出体系,就会引起爆炸。传统的硝化反应一般是在带冷却夹套的搅拌釜式反应器内进行的。这种结构的反应器由于换热面积小,传热效率差,不得不通过控制反应物加料速度来避免热量积累导致的反应失控。因而不仅反应釜的体积庞大,而且反应所需时间也很长。以年产15吨硝基化合物来说,反应釜的体积达13立方米,每次硝化反应的时间长达18小时以上。Sulzer公司开发成功一种静态混合反应器,是利用热交换管作为静态混合微构件来强化物料混合的反应器,在实现物料高效混合反应的同时将反应热从体系中快速移走,能极大地缩小设备体积、增加生产能力,特别适用于强放热反应过程。将该静态混合反应器技术用于TNT的生产,反应器的体积减小至200毫升,只有传统夹套式反应釜体积的1/6500;硝化反应的时间只有0.25秒,为原来的1/259200;而年生产能力却提高了2.2倍,投资不到原来的40%。同时,由于硝化反应的时间非常短,基本上消除了副产物的生成,减少了环境污染。
例2:Grignard试剂酮还原反应,该反应是德国Merck公司生产某种精细化学品工艺过程的一个组成部分,是一个快速反应,可以在数秒内完成。同时,该反应也是一个强放热过程,在实际生产中为了导出反应热必须延长反应时间,一般需要数小时。若利用交叉型微混合器,不仅可以实现过程的连续化,而且可将反应时间降至几秒钟。这一发现证实微混合器是一种实现过程准确控制、强化反应过程的有效工具,进而极大地推动了Merck公司建立连续生产装置的计划。如1998年8月建成了一套采用5个小型混合器并联操作的全自动连续生产中试装置并成功运行。中试生产的产率为92%,明显高于实际间歇式生产的72%。此外,用快速连续混合替代了传统的滴加式混合,使反应时间从以前的5小时缩短为现在的10秒以内。更值得一提的是,利用小型混合器,可以在较高的温度下实现该反应,从而有效地减小冷却设备的技术投资,并可节约能源。
类似的成功实例还有很多,实验室内取得的令人激动的成果更是不胜枚举,在此就不一一列举了。
4 微纤维复合材料—发展过程强化设备的新结构和新材料
华东师范大学掌握了一种烧结三维微纤网络结构化微米尺度催化剂的制备技术,即通过烧结直径2-20微米、长度2-10毫米的微纤(聚合物,金属或陶瓷)而形成可裁剪的具有大空隙率三维网状结构载体。这种烧结微纤载体材料可用以高负载量地包结微米尺寸的催化剂/吸附剂,形成微结构化的催化剂/吸附剂反应器体系。
微纤复合催化剂/吸附剂可以采用造纸过程制成薄层大面积和/或褶皱结构,以完全不同于固定床、滴流床、淤浆床、微通道、蜂窝陶瓷整体结构反应器等传统反应器技术的方式,调变催化剂/吸附剂对反应物或污染物的接触效率。这种结构化的反应器综合了固定床结构简单和流化床传质、传热良好的优点,且具有极高的催化剂/吸附剂与反应物/污染物接触效率。微米尺寸催化剂/吸附剂的应用可极大地消除使用大颗粒催化剂/吸附剂的固定床(滴流床)所受到的内扩散、颗粒内部传热的限制。 三维微纤网状结构将微米尺寸颗粒象流化床或淤浆床那样悬浮在反应介质中,但不存在流化床的返混现象以及蜂窝陶瓷整体结构反应器所固有的径向扩散限制。我们已成功地将之用于结构化微米尺度细粒子催化剂,构建的整体结构反应床层综合了固定床结构简单和流化床传质、 传热良好的优点,在小型制氢[1-4]、 液-液强放热有机合成[5]、 微型换热器[6]和微型燃烧器[7]等方面的应用中展现出优异的过程强化效能。
鉴于这种新材料、新反应器所具有的高接触效率、良好传质和传热性能以及独特三维网状结构的包结作用,可以预见,其在国防/民防(如高效防毒、防生化设备)、 公共安全(如污水/空气净化)、 航天(如热管、微换热器)、 新能源技术(如小型移动制H2燃料电池系统)、 化工(如整体式催化剂、 新结构反应器、 微化工构件)、 电化学和化学电源(如电极材料)等诸多方面具有重大的应用前景。
化工过程强化带来的益处是多方面的。设备生产能力的显著提高,导致单位产品成本大幅降低。设备体积的微型化,将带来设备和基建投资及土地资源的巨大节省。由于能充分利用能量、生产效率高,能耗将显著降低。由于反应迅速、均匀,副反应少,从而能大大减少了副产物的生成,污染环境的废物排放也会显著减少。
微反应技术目前已被公认为化学工程学科发展的新的重要方向之一,它涉及化学、化工、材料、物理、模拟计算、生物、微电子以及微机械加工等诸多领域,学科交叉综合性强,充分体现了现代科学发展的特点,有理由相信,微反应技术将会为化学工程及其相关学科的发展产生极大的推动力。
参考文献:
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[2]Yong Lu, Hong Wang, Ye Liu, Qingsong Xue, Li Chen, and Mingyuan He. Novel microfibrous composite bed reactor: high efficiency H2 production from NH3 with potential for portable fuel cell power supplies. Lab Chip 7(1) (2007) 133.
[3]Ye Liu, Hong Wang, Jianfeng Li, Yong Lu, Haihong Wu, Qingsong Xue, Li Chen. Monolithic microfibrous nickel catalyst co-modified with ceria and alumina for miniature hydrogen production via ammonia decomposition. Appl. Catal. A 328(1) (2007) 77.
[4]Ye Liu, Hong Wang, Jianfeng Li, Yong Lu, Qingsong Xue, Jinchun Chen. Microfibrous entrapped Ni/Al2O3 using SS-316 fibers for H2 production from NH3. AIChE J. 53(7) (2007) 1845.
[5]李剑锋,杨九龙,王苗苗,路勇,何鸣元. 基于烧结微纤多孔结构材料的微反应器中的苯硝化反应[J]. 催化学报 28(11) (2007) 931.
[6]李剑锋,路勇,何鸣元. 基于烧结微纤多孔结构材料的微换热器及其性能研究[J]. 石油化工 36(12) (2007) 1239.
化工过程分析与合成 篇3
化工过程分析与合成课程的主要目标是使化工类的本科生能应用先进的系统工程的思想、方法和策略来解决本专业中遇到的单纯用专业知识难以解决的问题[5]。学生通过该课程的学习,应掌握序贯模块法的基本原理,对一个较简单的工艺流程,能够确定单元模块的计算顺序,并在计算机上进行模拟分析。掌握建立最优化数学模型的一般步骤和方法,能够求解一般的线性规划问题。掌握夹点技术,能够综合一个较简单的换热网络。能够应用直观推断法的规则,合成一个分离序列; 了解分离过程之间和分离过程与系统之间的热集成方法。该课程理论性和探索性很强,采用实践性教学方法是加深、巩固理论知识的有效途径,是培养学生科研能力、创新能力、科学思维方法、处理工程问题能力以及提高学生综合素质的载体。中国石油大学(华东)化学工程系将此门课程安排在第7个学期,32个学时。在新的2013年培养计划中,该课程被安排在第6个学期,学时不变。
在中国石油大学(华东),化工过程分析与合成课程教学内容主要包括单元和系统的自由度分析、典型单元设备的建模、 系统的分解与切割、最优化方法、换热网络综合和分离序列综合等,均以理论教学为主,根据学生上课效果和反馈信息,单纯理论教学也反映出一些不足之处,主要体现在实践性教学方面,即计算机软件与理论教学中的模拟、分析和综合方面的结合欠缺。在课程教授过程中,学生也普遍反映此门课程理论性太强,数学要求较高,尤其是最优化方法部分,分析产生的原因主要也是实践性教学环节不够,如何使学生将学到的化工系统工程理论应用于生产实践的训练,是课程任课教师需要认真考虑的问题,也是解决化工过程分析与合成实践问题的关键所在。针对上述问 题,可应用化 工过程模 拟软件Aspen plus (Advanced System for Process Engineering) 强大的功能[6],在计算机上完成实际化工和炼油生产过程的模拟、分析与合成,提供了应用理论知识解决实际工程问题的操作平台,提供了实际化工生产无法实现的对流程进行模拟、对设备进行选型、对工艺进行优化、对换热器进行综合的环境,可大大激发学生大胆探索和创新的兴趣,使学生获得创新实践能力与工程实践能力的训练,为化工过程分析与合成的教学提供了一种新途径,也促进了本科毕业生在谋求工作过程中提高自身的核心竞争力。
1AspenPlus软件
Aspen plus是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程模拟软件,由美国麻省理工学院于20世纪70年代后期研发,由Aspen公司于80年代推向市场,先后经历了十多个版本,是用实时运行的动态数学模型代替真实工程装置进行实习教学的一门新技术。Aspen plus主要由三部分组成: (1) 物性数据库。自身拥有两个通用数据库Aspen CD和DIPPR,还有多个专用数据库。正是由于软件具有工业上最适用且完备的物性系统及几十种用于计算传递性质和热力学性质的模型方法,使得Aspen软件可应用于各种领域,拓宽了软件的适用范围; (2) 单元操作模块。拥有50多种单元操作模块,通过 “搭积木”的方式将这些模块和模型组合,允许用户完成所需流程; (3) 系统实现策略。包括模拟软件需要的数据输入、解算策略和结果输出等。软件具有界面友好、工作效率高、结果准确等优点,在许多化工企业和国外高校本科生教学中的应用已非常普遍。目前最新的版本为Aspen One 8. 7。
2AspenEnergyAnalyzer软件
Aspen Energy analyzer是Aspen Tech公司开发的一款基于过程综合与集成的夹点技术的计算软件[6],它的前身是Aspen pinch,Aspen Pinch是Aspen Tech公司的第一代产品,后来收购Hyprotech后将HX - Net整合进来,到V7. 1以后,所有产品升级换代并全部更名,也就出现了Aspen Energy Analyzer这个产品,它整合了以上两个产品的所有功能并将换热网络优化与换热网络操作作为研究的主要方向,典型的应用包括常减压换热网络改造、设计与优化。Aspen Energy Analyzer应用已有工厂现场工艺数据、Aspen Plus或者Aspen hysys模拟计算的数据为输入,来设计换热器个数最少或者能耗最小或者操作成本最低的化工厂和炼油厂,实现节能目的。
Aspen Energy Analyzer典型作用有以下几个方面:
( 1 ) 老厂节能改造的过程集成方案设计;
(2) 老厂扩大生产能力的 “脱瓶颈”分析;
(3) 能量回收系统(例如换热器网络)的设计分析;
(4) 公用工程系统合理布局和优化操作 (包括加热炉、蒸汽透平、燃气透平、制冷系统等模型在内)。
3夹点基础理论
夹点技术是以热力学为基础,从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布,从中发现系统用能的瓶颈所在,并给以解瓶颈的一种方法。在授课过程中,温 - 焓图是必须首先介绍和要求学生掌握的,通过温焓图能够简单明了的描述过程系统中的工艺物流及公用工程物流的热特性。采用平移和组合的方式可将系统中的所有热物流构造为一条热物流组合曲线,所有冷物流构造为冷组合曲线。冷热物流组合曲线在水平方向相互靠拢,当两组合曲线在某处的垂直距离正好等于夹点温度时,则该处即为夹点。夹点温度可通过优化方法确定。当确定了夹点温度和位置以后,就可以确定最大回收热量、最小冷热公用工程等信息。
4AspenEnergyAnalyzer在换热网络教学中的应用
通过对系统的分析可以得到大量的换热网络设计方案,然而它们可能在很大程度上偏离了最优方案。为达到设备费用、 操作费用的最小化,对能量热集成的设计优化是极其复杂的。 Aspen Energy Analyzer无需使用大量的资源就能很好地解决这类问题,它能够最大限度地再回收利用热量使外界加热和冷却公用工程最小化,并得到最优的换热网络。这种方法不仅节约了能源,而且降低了成本和对环境的影响。
以一个工艺流程为例,说明夹点设计换热网络的基本思想和概念,其物流数据如表1所示。现有换热流程如图1所示, 可知目前流程采用了6. 12 MW的加热公用工程和3. 6 MW的冷却公用工程。对现有换 热网络进 行夹点分 析,取夹点温 差20 ℃ 。采用Aspen Energy analyzer软件,确定了夹点处热流体温度为80. 0 ℃ ,冷流体温度为60. 0 ℃ ,此时最小加热公用工程3. 936 MW,最小冷却公用工程1. 419 MW,结果如图2所示。根据软件分析,得到该流程的组合曲线和总组合曲线如图3、图4所示,工艺流程对应换热网络如图5所示。
通过利用Aspen Energy analyzer对已有换热流程进行改造的过程,可以讲解与夹点理论有关的概念,包括最小传热温差、冷热组合曲线、最小加热共用工程、最小冷却共用工程和总组合曲线的概念,也可让学生掌握如何用软件设计换热网络,有助于提高学生应用计算机软件和工程实践的能力。
5结论
Aspen Energy analyzer是通用的换热网络设计软件,将此软件应用于化工过程分析与合成的理论教学中,结合换热网络综合理论,不但可以将换热网络综合的实际案例应用于教学中, 使课程紧密联系实际化工过程,有助于学生理解和掌握换热网络综合过程的相关概念,熟悉Aspen Energy analyzer软件界面及基本操作,还开阔了学生的视野,提高了学生的自主创新能力和工程实践能力。同时通过软件的学习,培养了学生应用计算机进行科学研究的能力。
摘要：化工过程分析与合成是化工类实践性非常强的专业基础课。在过程工业中,能量是通过换热网络进行传递的,换热网络设计是此课程教学过程中的重要内容之一。本文应用夹点技术,采用Aspen Energy Analyzer软件对简单的换热网络进行分析、综合和优化,使学生更加容易理解和掌握夹点的基础理论,同时使学生熟悉该软件的使用,为后续化工设计和毕业设计的相关换热网络研究打下基础,也可为日后的科研开发、工程设计和生产管理提供了一种有力的技术手段。
关键词：AspenEnergyAnalyzer,化工过程分析与合成,教学,夹点
参考文献
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化工过程分析与合成 篇4
关键词：高职,工作过程,课程建设
根据目前高职教育的主流理论, 高职专业课程的开发应从行动体系出发, 以工作过程为导向, 系统地进行开发, 最终形成以工作过程为导向的、密切联系工作岗位实际的、遵循学生职业生涯发展需要的课程体系。这种课程体系是对学科体系下课程体系的彻底颠覆, 是对学科体系下课程解构后, 而基于行动体系重构的课程体系, 因而是一种完全意义上的课程体系的根本性变革。高职各专业应根据教高[2006]16号文件的精神, 结合区域经济特点、就业岗位的需要以及本校的办学特色, 有针对性地进行专业课程的开发。
1 我院应用化工专业课程体系的重构
工作过程导向的课程的有一套完整的开发方法, 开发流程图如图1所示。
运用这套方法, 根据我院应用化工专业的人才培养目标, 在对其就业岗位分析的基础上, 通过与企业多个层面专家的面谈、召开研讨会等多种形式, 对相关岗位群的主要工作任务进行分析, 归纳出典型的工作任务, 确定了该专业的行动领域, 然后根据相应的专业能力、方法能力及社会能力的要求, 用教学论进行加工, 将企业中实际工作任务转化为学习型工作任务, 并依照职业成长和认知规律, 以能力为本位, 以工作过程为导向, 实现行动领域向学习领域转换 (见表1) 。
表1中专业学习领域即相应于专业的课程体系。这里需要注意的是, 专业行动领域向专业学习领域转化过程中, 不仅要考虑到教育论和学习论的要求, 还要结合相应职业资格的取得进行设计。
2 基于工作过程的《化工产品合成》课程改革和建设实践
2.1 《化工产品合成》课程的定位
本课程主要针对应用化工专业的学生从事化工企业产品研发岗位所需的一般技术能力进行开发。通过本课程的学习, 学生能胜任企业化工产品小试合成路线的试做及进行初步评价的工作, 并掌握有机合成工 (中级) 考核取证“实验合成部分”的各种操作技能, 同时也能加深对化工工艺合成岗位相关反应原理的及生产控制要素的理解。因而本课程是应用化工专业的主干课程之一。
2.2 《化工产品合成》课程的建设目标
总体上, 按工作过程导向的要求, 将本课程建设成为工学结合的“理实一体化”课程。
(1) 课程的知识目标
理解并掌握化工产品合成过程中各单元反应过程的基本知识和文献检索的基本技能, 掌握反应物的化学结构和官能团的性质, 理解反应物的浓度、配比等物理因素对合成反应的影响, 并对有机合成路线设计的有关知识, 有机合成的新工艺、新技术有所了解。
(2) 能力目标包括
能根据各单元反应的一般规律、特点和反应技术, 制订各单元反应过程的实施方案, 并熟练实施合成方案;能根据合成结果对合成工艺路线进行初步的评价。在此基础上, 进一步分析和解决有机合成中的实际问题。
(3) 素质目标包括
具有不断创新和学习的精神状态, 实事求是、一丝不苟的工作作风, 安全、节俭、环保的意识, 良好的团队合作精神与竞争意识等。
2.3 《化工产品合成》课程的建设思路
(1) 课程建设“合作化”
本课程的建设立足于学校和企业双方的深度合作, 校企双方共同参与专业核心课程建设的全过程:从课程标准的制定、课程内容的规划, 到教学方法和教学评价的确立等各环节。如:课程标准由教师和企业专家共同研讨制定;引入企业真实案例作为教学内容;聘请企业工人专家讲授实践性课程内容;模拟企业真实环境和企业专家合作开发教材等。
(2) 课程内容“项目化”
根据工作过程导向的要求, 学生应在类似于实际工作过程的情境中完成相关知识的学习。很显然, 本课程的内容应从企业实际合成 (试制) 产品的案例中, 筛选出典型产品的合成 (试制) 案例 (项目) , 根据学生完成该产品合成任务所需要的知识、能力、素质要求进行选择。所选择的项目不仅要体现出一定的知识的逻辑性和全面性, 并符合认知的规律 (由易而难、由浅入深) , 还要有一定的提升, 即源于实际但要高于实际。此外, 所选择的项目既要能体现专业的特色, 还要为学生可持续发展奠定一定的基础。
(3) 教学过程“一体化”
以工作过程导向为主体的课程开发内在地要求以项目教学法为主要教学方法。项目教学法是以工作任务为核心来训练技能并建构理论知识的教学法, 即在每个学习情境按照工作过程的六个步骤——“资讯、决策、计划、实施、检查、评价”进行, 按照行动导向的原则组织“教、学、做”一体化教学, 让学生在工作实践的基础上建构理论知识, 激发其学习兴趣, 促进他们完成从学习者到工作者角色的转换, 并形成自我负责的学习态度。此外, 辅之以适时安排学生到企业顶岗实习, 让学生在实境操作与训练中巩固和提高岗位所需的技能和知识。
(4) 考核方式“过程化”
基于工作过程的课程设计与基于行动导向的教学评价, 客观要求对学生学习实施过程性、能力导向的进行综合评价, 即要从学生专业能力、方法能力、社会能力培养的要求出发, 建立基于教学全过程、以学生能力提升为导向的学习评价体系。工作过程的技能和知识的掌握与工作过程密不可分, 工作过程的上一环节的差错都可能导致下一环节的无法实施。特别是对于“新手”的学生, 如果仅仅从工作的结果进行评价的话, 很可能导致学生不能过关。因此体现在各个项目 (或情境) 中, 考核就要从工作过程的各个环节入手进行, 从每一环节中体现的专业技能要求的含量进行赋予不同的分值进行评价, 此外课程的考核还必须结合职业技能考核取证的要求, 设计一定的应知应会的理论试题和实践项目进行。
2.4 《化工产品合成》课程的载体选择和情境设计
企业产品研发岗位主要工作任务是承接研究机构技术转让的化工产品的试做并提出初步的评判意见。即根据已知的合成路线合成出目标产物。虽然不同产品的合成路线中所包含的单元反应过程及分离技术都不一样, 但其开发的过程 (工作过程) 都有一个共同的基本程序:合成路线设计→反应合成→产物分离→产物鉴定→合成结果评价, 因此根据“课程内容项目化”思路, 只需以典型的化工产品为载体, 就能让学生在载体产品实际合成试做的工作过程中充分预演企业研发人员的角色, 领会岗位所需的技能要求。
但企业实际开发 (或生产) 的产品大多属于精细化工产品范畴, 特点是种类多, 工艺路线较复杂, 而且工艺路线往往保密, 因此这些产品大多不适合或不方便直接作为项目载体的。从教学论和认知规律的角度看, 有必要选择一些成熟的、在合成难度上逐渐提高、反应形式逐步提升的产品作为学习情境的载体进行学习情境设计。本课程学习情境及主要内容如表2所示。
以食品添加剂苯甲酸学习情境为例, 情境描述如下。
建议学时:10;总学时:180;开课学期:4～5。
能力描述:能进行苯甲酸的资料检索, 根据苯甲酸的合成路线及氧化单元反应的特点制订合成反应的方案, 并通过实验合成出合乎要求的产品。具有独立学习、计划、工作的能力;具有职业岗位所需要的合作、交流能力和团队合作精神。
学习目标:根据苯甲酸的合成路线分析, 制订苯甲酸的合成方案;制作仪器药品领用单, 实施合成, 纯化精制并完成产品结构初步鉴定, 填写相应文书及实验记录。
教学内容:
(1) 接受苯甲酸的合成任务, 阅读有关产品标准等文件;
(2) 苯甲酸的合成路线分析;
(3) 苯甲酸合成路线的论证;
(4) 苯甲酸实验室合成及鉴定;
(5) 苯甲酸合成知识拓展 (氧化反应及工业化过程) 。
教学方法建议:
宏观:项目教学法。
微观:讲述法, 案例教学法, 互动式、启发式教学法, 仿真教学法, 实践操作演示法等。
教学媒介:教材、黑板、幻灯或录像、多媒体、实验仪器、工具等;
考核与评价:笔试、实操、小组成员自评、互评、教师评价;
学生的基础:具备基础化学的理论知识和技能;基本的安全知识;
教师需要的能力:熟悉常见化工产品合成的一般知识, 熟练掌握常见化工产品分析、测试、鉴定的方法, 熟悉氧化反应的产品及工业化过程的特点, 具备丰富的安全环保知识教学组织经验。
2.5 《化工产品合成》课程课业设计
课业是教师根据学习领域课程计划中的学习情境设计的、学生在教师指导下自主完成的综合性学习任务。学习领域课程的课业设计是学习领域课程实施的关键环节。由于工作过程中, 工作的对象、内容、手段、组织、产品、环境6要素始终处于变化之中, 结构相对稳定指的是资讯、决策、计划、实施、检查、评价6个步骤始终存在于工作过程中, 因此课业设计要紧扣这6个步骤。同样以苯甲酸的合成情境为例, 课业设如表3所示。
值得注意的是, 随着教学进程的进行, 在其他情境的教学过程中, 教师讲授的内容逐步递减, 而学生自主能力逐步增强, 此时可以适当增加学时课外自学的时间。
2.6 课程改革和建设的效果
有机合成岗位一直是化工专业中最富有挑战性的职业岗位之一, 以前我院高职应用化工专业课程中并没有针对此岗位开设专门的课程, 有关合成方面的知识和技能只是散布于其他课程之中。通过本课程的开设, 极大地调动了学生的学习兴趣, 学生参与的积极性于参与程度明显提高。在本课程的学习中, 学生通过多个项目的完成, 不仅学到了有机合成的知识, 积累了有机合成的经验, 而且掌握了工作岗位所需要的技能以及完整工作过程的思维能力, 学生普遍感觉到动手能力得到了加强, 对理论知识的理解也加深了。这是一种全新的学习方式, 充分体现了以学生为主体、以指导教师为主导的教学理念, 因此取得了良好的教学效果。
3 结 语
《化工产品合成》课程建设还包括教材建设、师资队伍建设、校内外实训基地建设、教学方法和手段研究、课程网络建设等等诸多方面的内容。本课程其他方面的建设情况本人将另文进行阐述。总体上看, 《化工产品合成》课程的教学改革和实践大大促进了应用化工专业工学结合的人才培养, 更加彰显我院应用化工专业的特色。有理由相信, 随着工作过程导向模式的课程教学改革地广泛实施, 我国的高职教育将会迎来一个更加灿烂的明天。
参考文献
[1]教育部.关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见[Z].教高[2006]16号文件:2006.
[2]姜大源.论高等职业教育课程的系统化设计——关于工作过程系统化课程开发的解读[J].中国高教研究, 2009 (4) :67-70.
[3]沈才梁, 阮胜利.基于工作过程的“网络设备的安全配置和管理”课程教学改革与实践[J].计算机教育, 2009 (20) :73-75.
[4]高庆, 沈发治, 秦建华.工作过程导向模式下对高职课程体系改革的思考[J].高等职业教育——天津职业大学学报, 2008, 17 (4) :18-20.
化工过程分析与合成 篇5
为了实现高职人才培养目标的要求,我系在科学分析办学定位,明确专业发展方向,对鄂尔多斯地区合成氨企业的调研与分析的前提下,根据氨合成及尿素合成的工作过程,以职业能力培养为主线,对合成氨生产技术课程的教学内容进行了重新设计。
一、课程整体设计
(一)课程设计理念
课程以高教[2006]16号文件精神为指导,以学院办学定位、化工行业对职业能力的需求、学生的认知特点等因素为依据,与化工行业、企业人员紧密配合,共同进行合成氨生产技术课程的开发与设计。课程设计的理念是在课程教学中充分体现职业性、实践性;切实培养学生的从业能力,提高“教”与“学”的效果;根据本地区合成氨企业的发展现状,将课程内容定位在当前常用工艺的技术上。
(二)课程开发流程与思路
课程主要采用以工作过程为导向的实践教学模式。我们根据氨和尿素实际生产过程和相关职业岗位的任职要求,将课程内容归纳为氨的合成生产、尿素的合成生产两个工作项目,八个典型的工作任务。然后以典型的工作任务为中心组织教学内容,以实际工作流程设计教学进程和学习情景,以注重过程化、综合化的考核方式实施教学评价。课程通过项目教学、工学结合、任务驱动、实习实践等多种实践教学模式,将理论知识学习和职业技能训练两者结合在一起,使理论知识学习服务于职业技能训练,职业技能训练帮助职业素养养成,职业能力在工作任务的完成中得以提升,最终达到学生满足企业需求,适应工作岗位的目的。
二、课程教学设计
1.教学内容设计(如下表)。
根据氨、尿素实际生产过程、职业岗位(合成氨生产工、尿素生产工)需求,重组教学内容,教学内容以“理论必须、强化技能”为原则,突出实用、突出技能。
通过仿真软件、工艺流程模型为项目载体的课程教学设计,使教师从教学传授者转为教学活动组织者,从一个单纯的教学演示角色转变为一个复合型的教学导演角色。在教学改革中,教师应将重点放在教案与教学方法的设计上,教师将更多精力放在教学活动的组织上,重点强化学生设计思维的启发,鼓励学生的个性与独创。由单纯的教师讲学生听,变成教师组织策划、学生自主学习、师生共同讲评,以项目学习法的形式把学生融入有意义的任务完成过程中,让学生积极、自主地进行知识与能力的构建。本课程在教学过程中,穿插使用了任务引导教学法、过程导向教学法、案例解析教学法、情境体验教学法等,有效提高了教学效果。
例如,在完成识读氨合成工艺流程图典型工作任务时,教师采用了任务引领教学法,明确工作任务、工作要求,提供信息资讯途径及方法指导。
三、总结
高职院校以培养实践性人才为方向,强调实际动手操作能力,以工作过程为导向的课程教学设计,是合成氨生产技术课程教学改革的一次升华,有助于解决在化工生产课程教学过程中存在的问题,便于在今后化工类教学的实施和推广。
摘要：在高职合成氨生产技术课程教学设计中,在科学分析办学定位,明确应用化工技术专业发展方向,对鄂尔多斯地区相关企业的调研与分析的前提下,在课程改革的过程中,对本课程进行重新设计。
关键词：氨,尿素,课程,教学,设计
参考文献
[1]陶素连.以工作过程为导向的《机械零部件的识读、测绘与造型》课程重构[J].职业技术教育,2011.
[2]柳燕君.以工作过程为导向的课程模式研究与课程开发实践[J].中国职业技术教育,2009.
[3]徐广舒.一工作过程为导向的《建筑工程计量与计价》课程教学设计[J].长春大学学报,2010.
化工过程分析与合成 篇6
1 化工机械设备维修的相关概述
化工机械设备是化工生产的主要部分, 涉及范围十分广泛。针对受到化工企业的干扰的影响, 使得设备的可靠性和准确性不能保证, 为此, 需要科学的展开化工机械设备的维修工作。明确设备的故障类型, 并选择适宜的维修方式, 使得化工机械设备可以得到有效的控制, 避免故障的进一步扩大, 影响化工企业的效益。化工机械设备维修对化工企业的生产效率具有十分重要的影响, 科学的维修可以提高化工企业的产品品质和生产效率, 实现化工企业的效益和价值。
2 化工机械设备维修过程问题分析
结合化工企业的基本情况, 对维修过程中的问题进行具体分析, 了解故障的类型和故障对化工企业的影响, 为的解决方法的确定, 提供基础。
2.1 机械密封泄漏
化工机械设备的密封作用对化工生产具有十分直接的影响, 如果出现密封泄漏的情况, 可能会导致化工生产果过程中的部分气体泄漏, 导致安全事故和安全隐患的发生, 制约化工企业的生产。端面磨是化工机械设备的中的重要部分, 主要承担机械设备的密封工作, 如果端面膜的性质发生改变, 必然会导致机械密封泄漏的故障发生。制约化工企业的持续健康生产, 甚至可能会导致重大安全事故的发生。
2.2 过程控制仪表的故障分析
针对化工的仪表设备的, 如果这部分设备不能处于稳定的运行状态, 同样会影响化工企业的生产效率和生产质量。 (1) 流量计故障, 流量计是化工生产过程中的关键部分, 主要承担对相关水位的判断, 受到外界因素, 流量计会发生故障, 一旦故障的发生, 会导致相关示数不够准确的情况, 使得相关设备故障发现不及时, 导致故障的扩大。通过外部连线检测的形式, 确定流量计的连线和插件是否质量过关, 并查看保险管是否出现故障等。 (2) 温度变送器故障, 温度变送器同样是化工机械设备的关键部分, 可以将热点的变化情况, 以数据信号的形式发送, 提高化工企业的生产效率。
3 化工机械设备维修过程问题的解决方式
针对化工企业的实际情况, 需要科学的展开化工设备维修工作, 明确维修过程中的问题, 制定有效的解决方式, 促使这些问题可以得到抑制, 提高化工机械设备的稳定性, 实现化工企业的持续健康发展。
3.1 强化机械设备密闭性控制
化工机械设备的密闭性对化工机械设备的运行质量具有直接的影响, (1) 为了规避泄漏故障, 需要严格的对端面膜的稳定性进行控制, 避免端面膜的变相情况, 提高机械设备的密闭性, 规避安全隐患, 实现化工企业的持续健康发展。 (2) 需要根据机械设备的基本情况, 选择适宜的材料, 保障材料的密闭的性。 (3) 重视化工机械设备的质量检测工作, 及时发现设备中的安全问题, 针对出现问题的机械设备, 不允许进入化工现场, 减少安全隐患。
3.2 流量计故障解决
结合化工企业的基本状况, 明确流量计故障对化工企业生产安全的影响十分明显, 为此, 需要科学的实施流量计故障检测, 清晰流量计的具体故障点。如果发现松动的情况, 采用紧插的形式, 避免松动, 如果发现流量计内部损坏, 需要及时的进行更换。此外, 还需要科学的转换器进行安装, 提高安装效果, 规避安全隐患。
3.3 温度变送器故障解决
明确温度变送器的基本功能, 在了解其基本构成的基础上, 对PLC的模块输入情况进行判断, 如果PLC输出模块不能正常工作, 需要对其更新或是进行线路变更的。合理的展开传感器的检测检验, 确保传感器的灵敏性和可靠性。此外, 针对化工机械设备的基本情况, 需要合理的对润滑油进行应用, 使得化工设备可以处于稳定的运行状态。
4 结语
化工机械设备是化工生产的关键, 为此, 需要明确维修中的问题, 采取有效的维护和维修策略, 提高维修的有效性, 推动化工企业的生产效率, 实现化工企业的持续健康发展。
参考文献
[1]邬志强.化工机械设备维修的常见问题分析及其解决对策[J].中小企业管理与科技 (下旬刊) , 2014, 01:315.
[2]刘志平.浅析化工机械设备的管理与维护[J].军民两用技术与产品, 2014, 07:93-94.