傘曉廣+高恩軍+李雪+孟丹+王康軍

摘要：碳一化學相關(guān)應用型人才培養(yǎng)，是當前化工類高校特色辦學的定位點之一。建立完善的理論聯(lián)系實踐的教學體系，課堂-仿真實踐-工廠實踐三位一體教學模式，強化學生理論聯(lián)系實踐能力，“虛實結(jié)合、相互補充”讓學生全方位掌握碳一化學相關(guān)知識和技術(shù)。該教學模式將推進混合式教學模式的探索與實踐。教學模式的改革與創(chuàng)新，進而改善學生的學習、生活方式和創(chuàng)新思維、實踐能力。

關(guān)鍵詞：碳一化學；虛擬仿真；理論聯(lián)系實踐；教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）22-0155-02

一、概述

20世紀70年代，日本首先提出了碳一化學的概念。即：以一個碳原子的化合物（CO、CO2、甲烷、甲醇等）為原料合成化學產(chǎn)品，而研究這類催化反應及應用的科學稱之為碳一化學。碳一化學涉及的產(chǎn)品繁多，可使許多有機化工產(chǎn)品從對石油的依賴中轉(zhuǎn)變到煤上來，還能實現(xiàn)對現(xiàn)有某些工業(yè)中的“廢氣”（CO、CO2）合理利用，特別是對煤的利用上，真正實現(xiàn)高附加值化及資源、能源、環(huán)保的高度統(tǒng)一，推動化工可持續(xù)發(fā)展。自上世紀80年代開始，我國政府及科技界已適時地瞄準這一高科技領(lǐng)域，加強了碳一化學的研究，將其列為“八五”科研規(guī)劃重點研究內(nèi)容。經(jīng)過近三十年的蓬勃發(fā)展，目前我國碳一化學發(fā)展已與國際接軌。我國高等院校也都參與了相關(guān)的教育和研究，清華大學、天津大學等單位還建立了碳一化學國家重點實驗室。特色是學校生存和發(fā)展的動力，緊跟行業(yè)發(fā)展形勢，積極推進專業(yè)轉(zhuǎn)型，以素質(zhì)教育為核心，技術(shù)應用能力為主線，產(chǎn)學研相結(jié)合的途徑，與時俱進是我校人才教育培養(yǎng)模式遵循的原則。我?；瘜W工程學院高度重視碳一化學的研究和教學工作，投入了大量的師資力量，建立完善的理論、實踐教學體系。首先采用輪講方式向?qū)W生講授碳一化學的基本理論和當前發(fā)展趨勢，讓學生有扎實的理論基礎(chǔ)。同時建成立了以碳一化學為基礎(chǔ)的國家級“化工過程虛擬仿真實驗教學中心”，其中的甲醇仿真工廠是按60萬噸工業(yè)甲醇裝置比例1/10建設(shè)，全流程真實裝置、冷態(tài)與熱態(tài)相結(jié)合，讓學生達到實訓效果。同時與“彰武金源化工有限公司”簽署了教學實踐基地，加強與企業(yè)聯(lián)系、溝通，讓學生積累工業(yè)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗、了解碳一化學行業(yè)動態(tài)，與時俱進、知行合一，培養(yǎng)碳一化學領(lǐng)域?qū)嵱眯腿瞬拧?/p>

二、碳一化學理論基礎(chǔ)

1.以甲烷為基礎(chǔ)的碳一化學反應，碳一化學品主要是一個碳原子與若干其他原子構(gòu)成的化合物，甲烷是最簡單的碳一化工產(chǎn)品，化學式CH4，中心碳原子采取SP3等性雜化軌道方式與氫原子的S軌道電子形成共價鍵，為四面體結(jié)構(gòu)，其中化學鍵和鍵角是等同的，H-C-H鍵角為109°28′甲烷是天然氣的主要成分，我國擁有豐富的天然氣資源，現(xiàn)已探明的儲量為1.67萬億M3，遠景儲量為26—33萬億M3，約占世界遠景儲量的1/10，且CH4可通過廢棄生物質(zhì)發(fā)酵獲得，生物沼氣中含有大量的甲烷（50%—80%），同時，最新研究表明，中國頁巖氣儲量高達30萬億立方米以上，居世界第一，幾乎是美國的兩倍。當前甲烷主要以作為燃料方式粗放式應用，碳一化學是要尋求有效的開發(fā)途徑充分利用其價值，開發(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)，同時能夠得到高品位氫能源。

2.以CO為基礎(chǔ)的碳一化學反應，碳一化學最簡單的碳氧化合物是CO，C的最外層有4個電子，氧的最外層有6個電子，碳的2個單電子進入到氧的p軌道和氧的2個單電子配對成鍵，形成兩個鍵，然后氧的孤電子對進入到碳空的P軌道中形成一個配鍵，氧碳之間形成三個鍵，分子形狀為直線形。合成氣（CO、H2）是碳一化學研究領(lǐng)域最基礎(chǔ)原料，CO是合成氣組成的核心。合成氣可通過煤氣化工藝制得，CO還可以從鋼廠和黃磷廠等工廠廢氣中回收利用。CO的主要反應有加氫反應和羰基化反應等。加氫反應最為典型的反應工藝有費托合成（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)的碳一化學反應，CO2與其他碳一化合物的根本不同點在于它是含碳化合物的最終氧化物。其物理性質(zhì)方面的應用主要有：用作惰性氣體、冷卻劑、壓力源等；其化學性質(zhì)方面的應用主要有：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和共聚的反應機理進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和CO2直接加氫制備甲醇等研究也成為當前熱點研究課題，可見CO2比其他碳一化學品蘊藏著更大的潛力，只是有待進一步開發(fā)而已。

4.以甲醇為基礎(chǔ)的碳一化學，甲醇是經(jīng)煤氣化合成的最簡單的含氧碳氫化合物，它既是重要的化工基本原料，本身又是優(yōu)質(zhì)、清潔的液體能源。其利用可分為能源利用和化學深加工兩大領(lǐng)域。其下游產(chǎn)品豐富，是碳一化學中較重要的中心產(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，如羰基化、烷基化、氧化脫氫等過程而得到最廣泛的有機化工基本原料。真正實現(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、碳一化學虛擬仿真實驗教學

隨著應用型人才培養(yǎng)的需要，在提高學生工程與創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中，針對碳一化學項目由于高溫、高壓、易燃、易爆、高危險、高度集成和大型化等原因，在實際教學過程中，存在無法實現(xiàn)、無法開展等問題，我校重視以虛擬仿真實驗教學的研究與開發(fā)為主要內(nèi)容，利用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的碳一化工過程虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，形成與現(xiàn)有實體實驗的虛實結(jié)合。積極開展理論與實踐、教學與科研、模擬與仿真、虛擬與現(xiàn)實等相結(jié)合的虛擬仿真實驗教學工作。我們以碳一化工典型生產(chǎn)工藝——甲醇合成為教學模型展開關(guān)于碳一化工的本科教育。目前的仿真工廠以煤制甲醇工業(yè)規(guī)模真實裝置為背景，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，均為國內(nèi)外主流生產(chǎn)技術(shù)。為培養(yǎng)學生的工程實踐能力，結(jié)合實踐要求設(shè)計了部分可拆裝設(shè)備，以便學生拆裝、認識掌握設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)；開放性的故障點設(shè)置、情景化的真實操作等實現(xiàn)本專業(yè)學生熟悉掌握化工單元操作、化工工藝過程、過程裝備與自動控制、操作優(yōu)化、化工安全與環(huán)保、節(jié)能、操作規(guī)程等實踐教學目的。最終達成“人人能學、處處能學、時時能學”的化工過程高等教育實驗教學信息化目標提供了有力保障。

四、碳一化學相關(guān)校外實踐教學構(gòu)建

碳一化學的校內(nèi)理論實踐教學需要企業(yè)實踐鍛煉才能緊跟行業(yè)發(fā)展、了解市場需要、掌握工廠實踐生產(chǎn)情況。學校與碳一化學相關(guān)的“彰武金源化工有限公司”簽訂了實習基地協(xié)議，建立了穩(wěn)定的校外實習基地。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)的碳一化學反應工藝。通過進入工廠的實踐，使學生在校期間得到在企業(yè)實習的鍛煉機會，盡早明確本專業(yè)特點及今后的就業(yè)方向，明晰大學目標，更加珍惜大學生活。同時使學生理論與實踐相結(jié)合，有條件就復雜工程問題與工程人員進行有效的溝通和交流。

五、結(jié)語

碳一化學是當前化工行業(yè)熱點研究方向，相關(guān)教學能夠突出化工專色特色，緊跟行業(yè)發(fā)展形勢，與時俱進，為培養(yǎng)適應社會需求應用型高端人才提供有力支持。系統(tǒng)的理論教學配合校內(nèi)虛擬仿真和校外工廠實踐教學，“理論-虛擬仿真-工廠實踐”三位一體的教學模式強化學生理論聯(lián)系實踐能力，“虛實結(jié)合、相互補充”讓學生全方位掌握碳一化學相關(guān)知識和技術(shù)?？偟膩碚f該模式教學取得了一定的教學效果，提高了教學質(zhì)量。該教學模式在應用的同時也在不斷地持續(xù)改進，相關(guān)的教學管理等仍需要進一步探索和研究。

參考文獻：

[1]H.D.Gesser，N.R.Hunter.A review of C-1 conversion chemistry[J].Catalysis Today，1998，42（3）：183-189.

[2]石洋.碳一化學發(fā)展現(xiàn)狀[J].化工過程與裝備，2014，（9）：181-183.

[3]王欣榮.碳一化學發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].廣西化工，1999，28（2）：28-31.

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