绿色化学与化工工艺学教学

时间:2019-09-27

　　摘要：绿色化学是新兴交叉学科, 是当今化学学科的研究前沿。化工工艺学是一门理论知识与生产实践相结合的学科, 生产过程的新工艺、新方法与绿色化学有着紧密的联系。在化工工艺学的教学过程中, 帮助学生树立绿色化学理念具有十分重要的意义。本文以化工产品的传统生产方法与绿色生产方法相比较, 探讨了绿色化学在化工工艺学中的教学实践。

　　关键词：绿色化学; 化工工艺学; 教学;

　　Abstract：Green chemistry is a new interdisciplinary subject, which is the research frontier of chemistry. Chemical technology is a discipline combining theoretical knowledge with production practice, the new process and method of production process are closely related to green chemistry. In the teaching process of chemical technology, it is of great significance to help students establish the concept of green chemistry. This paper discusses the teaching practice of green chemistry in chemical technology by comparing the traditional production method of chemical products with the green production method.

　　Keyword：green chemistry; chemical technology; teaching;

　　绿色化学又称环境无害化学或洁净化学, 与其相对应的技术称为绿色技术、环境友好技术。绿色化学的核心是利用化学原理从源头上消除化学工业对环境的污染, 其理想是采用“原子经济反应”, 即原料中的每一原子都转化成产品, 不生成或很少生成副产品或废物, 提高化学反应的选择性, 实现或接近废物“零排放”的过程;同时也不采用有毒、有害的原料、催化剂和溶剂等, 并生产环境友好的产品[1]。基于原子经济性的概念, 1998年, 绿色化学的先行者-耶鲁大学绿色化学和绿色工程中心主管Paul T.Anastas提出绿色化工的12原则, 内涵体现在以下5个方面:“减量”、“重复使用”、“回收”、“再生”、“拒用”。绿色化学是化学化工发展的新阶段, 它利用近代科学和技术的巨大进展和最新成就, 在继续生产人类社会所需要的大量新物质、新产品的同时, 又满足在生产过程中充分利用原料并确保生产出的物质不污染环境。

　　化工工艺学是在化学、物理和其他科学成就的基础上, 研究综合利用各种原料生产化工产品的原理、方法、流程和设备的一门学科, 目的是创立技术先进、经济合理、生产安全、环境无害的生产过程。化工工艺学一般包括原料的选择和预处理, 生产方法的选择和方法原理, 设备的选择, 催化剂的选择和使用, 流程组织, 生产控制, 产品规格和副产物的分离与利用, 能量的回收和利用, 以及安全和环境保护措施。因此, 在化工工艺学的教学过程中, 结合绿色化学的研究成果和技术, 向学生渗透绿色化学的理念, 对于促进我国社会和经济的可持续发展具有重要的现实意义。

　　1 绿色化学与合成氨工业

　　氨是化学工业中生产量最大的产品之一, 合成氨主要用来生产氮肥, 现代化学工业中, 氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。合成氨生产包括原料气制取、原料气净化和氨的合成3个基本生产过程。合成氨生产工艺复杂、技术密集, 消耗大量能源, 在教学过程中结合绿色化学的新技术, 可以开拓学生视野, 树立绿色化学理念。

　　1.1 煤为原料制合成气的新技术

　　我国是世界上最大的以煤为原料的合成氨产地, 煤气化法是我国合成氨的主要制气方法, 也是未来替代天然气和石油资源所必须采用的制气方法。煤转化为煤气之后, 通过成熟的气体净化技术处理, 对环境污染可降低到最低限度, 煤气化联合循环发电就是一种高效低污染的发电新技术。

　　整体煤气化联合循环 (IGCC-Integrated Gas-ification Combined Cycle) 发电系统, 是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。采用煤作为燃料, 通过气化炉将煤转化为煤气, 经过除尘、脱硫等净化工艺, 使之成为洁净的煤气供给燃气轮机做功, 燃气轮机排出余热和煤气化显热, 回收热量, 经余热锅炉加热给水产生过热蒸汽带动蒸汽轮机发电, 从而实现煤气化燃气蒸汽联合循环发电过程。该系统具有以下特点:燃料的适应性广, 供电效率高、环保性能好、耗水量少、效率高等。此外, 正在开发研究的煤炭地下气化技术 (UCG, Underground Coal Gasification) 具有周期短、成本低、污染少、能耗低以及安全性高等特点[2,3]。

　　1.2 合成氨催化剂的进展

　　传统的氨合成采用铁系催化剂, 需要在较高的温度和压力下使用, 能耗巨大。因此, 对现有催化剂进行改进, 可以起到降低能耗、提高综合效益的作用。目前研究开发的氨合成钌基催化剂, 由于在低温低压的条件下具有较高的活性, 具有节约能源、提高单程产率等优点, 被誉为第二代氨合成催化剂。此外, 还研究了活性更高的钡-钌催化剂、金属氮化物催化剂等。

　　2 传统的生产方法与原子经济性反应方法的比较

　　化工产品的生产有传统的生产方法, 有的还有符合原子经济性的绿色生产方法。在化工工艺学的教学过程中, 结合教材内容举出具体实例, 把传统生产方法和原子经济性反应作比较, 可以加深学生对原子经济性概念的理解。

　　环氧乙烷的生产方法有氯醇法和乙烯环氧化法。氯醇法要以危险的氯气为原料, 副产物较多, 产品中甲醛含量较高, 限制了产品用途, 而且易造成设备腐蚀, 排出大量氯化钙废水, 造成环境污染。乙烯环氧化法是以乙烯和氧气在适当载体银催化剂表面反应生成环氧乙烷, 该方法制得的环氧乙烷纯度和收率都很高, 原子利用率高, 反应的原子经济性大大提高, 且无腐蚀性, 无大量废料排放。

　　过氧化氢是一种理想的氧化剂, 过氧化氢的氧含量比有机过氧化物高得多, 发生氧化反应后产物为水, 氧化过程无污染物。过氧化氢广泛用于化学工业和环保行业, 尤其在有机合成中作为绿色化学试剂的应用越来越普遍。环氧丙烷的生产方法有氯醇法、共氧化法和过氧化氢直接氧化法。共氧化法工艺流程长, 总投资高, 联产品量大。过氧化氢直接氧化法工艺流程简单, 产品收率高, 基本无污染, 属于环保友好的清洁生产系统。

　　环己酮肟的传统生产方法是环己酮-羟胺工艺。该方法分为两步, 第一步是羟胺硫酸盐的制备, 第二步是环己酮的肟化, 环己酮与羟胺硫酸盐反应, 同时加入氨水中和游离出来的硫酸, 得到环己酮肟的同时, 副产硫酸铵。该工艺氨水和硫酸消耗量大, 能耗高, 设备腐蚀严重, 三废排放量大。环己酮肟的绿色生产方法是在钛硅分子筛催化作用下, 环己酮、氨水和过氧化氢发生氨氧化反应直接制备环己酮肟, 该工艺缩短了工艺流程, 投资少, 能耗少。

　　3 结语

　　绿色化学与化工是21世纪化学工业可持续发展的科学基础, 也是我国化学科学与工程发展的必然要求。教师在化工工艺学的教学过程中应当有意识地向学生渗透绿色化学的理念, 帮助学生比较和分析教材中涉及的绿色化学工艺以及节能减排的具体措施, 了解一些新工艺、新方法的应用, 开发学生思维, 推动绿色化学工业的发展。

　　参考文献
　　[1]朱志庆.化工工艺学 (第二版) [M].北京, 化学工业出版社, 2017, 298.
　　[2]邓靖, 袁秋华, 姚根友, 等.煤炭地下气化技术的发展及趋势[J].山西化工, 2017 (2) :36-38.
　　[3]王建华, 王作棠, 陈文泽, 等.煤炭地下气化发电技术分析[J].煤炭技术, 36 (2) :289-291.

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