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摘要：化学工艺学是研究由化工原料加工成化工产品的化学生产过程的一门科学，它与化工的发展紧密相连，相互依存、相互促进。本文以化学工艺学中通用反应单元工艺乙烯环氧化制环氧乙烷为例，分析了该工艺应用到化工设计课程中的实践意义。
关键词：化学工艺学；化工设计；环氧乙烷合成
前言
化工设计既是科学与艺术相结合的一项工程，又是理论和实际相联系的重要环节。设计人员运用化学工艺学的基础知识，根据生产要求，通过选择合适的方法，将实验室的科研成果转化成工业生产，是一项实践工程。化学工艺学主要是对生产工艺中反应部分的原理、条件、影响因素的分析，以及对副产物回收、废弃物处理的论述，能让学生获得丰富的理论工艺知识，并为将来从事化工开发、设计、建设打下了坚固的理论依据。通过将化学工艺学的相关工艺原理理论应用到化工设计中，能够让学生在实践中掌握和挖掘理论，提高学生的综合素质。以下本文就环氧乙烷合成过程在化工设计中的应用进行分析论证。
1.乙烯环氧化制环氧乙烷概述
《化学工艺学》课程中，乙烯直接环氧化合成环氧乙烷是烃类选择性氧化章节中最重要的内容。从理论上来说，环氧乙烷是乙烯工业衍生物中仅次于聚乙烯而占第二位的重要有机化工产品，其生产方法有两种：氯醇法和直接氧化法。乙烯直接氧化法制环氧乙烷的反应属于直接氧化法，主反应方程式为：
其主要氧化机理是：氧被银表面活性中心吸附的形态是不同的；乙烯与吸附氧之间的相互作用；吸附热。工艺条件的选择主要包括：反应温度，一般空气氧化法控制在220~290℃，氧气氧化法204~270℃；空速，对空气氧化法而言工业上主反应器空速一般取7000h-1左右；对氧气氧化法而言，空速为5500~7000 h-1；反应压力，直接氧化法均在加压下进行，但压力不能太高，否则不仅会增加设备费用外，还会促使环氧乙烷聚合及催化剂表面结炭；原料纯度和配比等。工艺流程主要为氧化反应和环氧乙烷回收精制两部分[1]。
通过对该章节的学习可知，乙烯直接氧化法合成环氧乙烷工艺具有无毒、生产效率高、生产设备简单等优势，学生能够从理论上掌握工艺原理，但具体到反应器设计中相关控制，吸收塔及其它塔设备结构和尺寸的确定，并没有深入详细的说明，因此导致学生在具体实践中难以实现环氧乙烷的生产。
2.化工设计概述
化工设计是将一个系统全部用工程制图的方法，描绘成图纸、表格及必要的文字说明，也就是把工艺流程、技术装备转化为工程语言的过程。它是通过设计人员运用各种手段，通过大脑的创造性劳动，将人们的要求变为现实生产的第一步。
从近代化学工业发展过程来看，科学研究工作日益占有重要地位。而要使科学研究成果转变成生产力，即实现工业化，必须把科研与设计紧密结合起来进行新工艺、新产品以及新设备等的开发工作。
3.环氧乙烷合成过程在化工设计中的应用分析
3.1反应器设计分析
在采用列管式固定床氧化反应器时，各操作参数的选择，不仅要考虑反应的转化率和选择性，还必须考虑参数的敏感区。现在，工业上对原料气入口温度和原料气初始浓度都已加以严格控制，对冷却剂温度也已控制，一般与热点的温差小于10℃，以避免进入参数敏感区[2]。
此外提高催化剂的选择性，也是控制热点温度的重要措施。在氧化器中，主、副反应热相差12.5倍，提高反应选择性，可大幅度减少反应放热量，反应管轴向温度分布容易均匀，热点不明显。与此同时，径向温度分布则更为均匀，可允许反应管增大管径，大幅度提高单管生产能力，反应器总管数可大幅下降，从而节省设备投资。冷却剂的选用也是反应器设计时应考虑的问题，目前常选用加压水作为冷却剂，其传热系数增大、流程简单、热能的利用率也比导生油和煤油高。但因水蒸气压力颇高，所用管板要很厚，并要保证管子与花板接口处不渗漏；管壳直径大，要耐高压，不但壁厚而且制造也困难，这是在设计时需要深入研究的问题。
3.2物料衡算
有化学反应的过程，各股物流中的物料组分比较复杂。因为工业上的化学反应，各反应物的实际用量，并不等于化学反应式中的理论量。为了使所需的反应能顺利进行，或使其中较昂贵的反应物能够全部转化，工业生产中常使价格较低廉的一些反应物过量。例如乙烯用空气氧化生产环氧乙烷，空气用量是过量的。此外，在工业化学反应中，化学反应进行的往往不完全，留下剩余的反应物，或者由于中间反应、平行反应或串联反应而生成副产物，或者体系中存在不参加反应的组分等等，这些未反应掉的反应物、副产物和不参加反应的惰性物质与产物混在一起排出。因此，物料衡算比物理过程的计算复杂，尤其是当进、出装置物料组成及化学反应较复杂时，计算时更应注意。
3.3固定床反应器
由于乙烯氧化反应是强放热的，需要考虑催化剂颗粒表面和流体相的条件差异的非均相模型。这些模型方程与催化剂颗粒尺度上的方程耦合起来，可以描述受内扩散限制的等温催化剂构成的固定床。计算方面的困难在于方程的强关联性，这可以通过预先计算效率因子得到简化。由于固定床模型的复杂性，最好的做法是首先考虑最简单的模型，然后当实验与计算数据有出入时再逐步增加有关的复杂因素[3]。
3.4塔设备简捷法计算
塔设备设计可采用塔设备计算机设计程序进行。
一是理论板的计算。当平衡数据是准确的离散数据时，采用插值法得到未知的值(在离散数据的范围内的值)是一种简单可靠的方法。插值的方法较多，如线性插值法、拉格朗日插值法、抛物线插值法、样条函数插值法等，插值方法的选择一般是依据离散数据的变化趋势。
板式塔结构在开孔区设计中，当堰长已调至下限，所需孔仍然不能排下时，只有加大塔径。流体力学校核中，一般先考虑加大板间距。若板间距已调至足够大时仍不能满足要求，可考虑加大塔径。
溢流区、筛板塔排孔等都可设计根据计算机编程进行计算，其中对于筛板塔的排孔，由于可调节的变量有孔径和开孔数，一般是先固定孔径，通过调整开孔数，以满足设计要求。当通过调整孔数还无法达到设计要求时，再调节孔径。
4.应用效果分析
学生通过相关工艺计算，计算机模拟，确定了塔的实际板数、塔高、塔径，列管总数等，并且较为直观的观察到反应条件变化时对反应结果的影响，并通过与实际生产的对比，使之能够加深理论应用实践的意义。并最后通过绘制出工艺流程图，学生也学会了设备的布置，控制点的安排，使得环氧乙烷工艺鲜活的展现在学生面前，实现了理论向实践生产的转变。
此外在实践中，设计技术水平提高的一个重要标志是电子计算机的广泛应用。由于在化工设计的各个环节、各个专业领域中普遍使用了计算机，从而大大加快了设计的速度，保障了设计的质量，使先进的技术理论得以应用。除此之外，像模型设计的推广应用，标准化、定型化工作的进展等，也体现了设计水平的提高。所以说，学生设计工作还要加强理论学习与计算机技术的掌握，加强设计数据库、程序库等知识的学习。
5.结语
总的来说，作为化学工业的基础学科，化学工艺学的不断发展、壮大也将进一步促进化学工业的迅猛发展。高水平的化工设计必定有着高水平的化学工艺学进行支撑。同时将两者的有机结合和联系，在实践教学中也有利于让学生加深对化学工艺学的工艺理论的理解，进而使得化工设计有理有据，做到理论与实践的完美结合。因此可以看出化学工艺学欣欣向荣的向前发展，必将继续对化工设计作出巨大的贡献。
参考文献：
[1]董友珍,王俊,李万鑫,施卫忠,薛云珊,陶建清.微课在化学工艺学教学中的应用[J].山东化工.2016(20).
[2]邱玉娥,张秀玲,王福明,刘爱珍,商书波.基于“工程实践能力培养”的《化学工艺学》课程建设与教学实践[J].高分子通报.2014(03).
[3]冯建华,吴刚,葛秀涛,郑建东,李永红,冯剑.面向应用的化学工艺学教学改革与实践[J].滁州学院学报.2013(05).
作者简介：王永蕊（1987.11—）, 女，广西梧州人，助理工程师，大学本科，从事化工设计工作。
论文作者:王永蕊,黄锡浅
论文发表刊物:《基层建设》2017年4期
论文发表时间:2017/5/22
标签：环氧乙烷论文; 工艺学论文; 化工论文; 化学论文; 反应器论文; 工艺论文; 乙烯论文; 《基层建设》2017年4期论文;