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自制小设备 完善大体系 ——“多级动态喷射撞击与宏观混合结合反应器”获奖侧记
2009-03-27 15:59  

深化实践教学改革,完善实践教学体系,培养学生的实践、创新能力,必须有强大的实验室硬件建设作为支撑,但是,仅仅依靠购置所谓主流教学设备厂家的现有产品是远远不够的,我们必须大力提倡根据专业建设目标,针对实践教学实际,量身定做,自制一批“高、精、尖”的教学设备,才能提高实践教学质量,弥补购置成套教学设备的不足,有效的为学校节约资金和资源。
      近两年,我校化工过程实验教学中心努力更新实验教学理念,在实验教学和实验室建设方面进行了改革、创新和探索,针对目前我校新教师实践经验比较缺乏、学校科研水平相对薄弱、学校经费比较紧张及学院现有部分设备比较陈旧的现实,开发了系列先进的实验设备。“多级动态喷射撞击与宏观混合结合反应器”就是其中具有代表性的实验设备之一,并获得实验教学改革二等奖。
      ■ 目前我校化学工程与工艺专业实验教学经过本科教学评估前后的整合调整,划分为反应工程、分离工程、化工热力学、化学工艺四大模块,本实验综合了化学工艺学、反应工程、分离工程、化工仪表及自动化、化工分析等多门课程。对于化工过程的大多数液相或液固相反应,装置的混合特性对反应过程有重大影响。迄今为止,这类反应一般都采用搅拌槽反应器(STR),或间歇操作(BSTR)或连续运行(CSTR)。然而,STR的混合性质并不十分理想,在某些场合可能影响反应过程的效率。近30年来,微观混合问题引起人们普遍关注,化工、材料等行业很多生产加工过程需要在分子尺度上进行,而良好的微观混合是这类过程进行的必要条件。撞击流(IS)的概念由Elperin在20世纪50年代提出,最初的构思主要是强调其强化相间传递作用。近几年来,人们开始将这一特性用于通过化学反应制取超细粉体等。综合关于撞击流性质的研究结果表明,撞击流的特殊流动结构适合于处理至少包含一个连续相的多相体系如气-液、液-液、液-固体系;当然,流体相向高速流动撞击的构思也可以外推用于均相或多相体系。撞击流的特殊流动结构是强化相间传递尤其是外扩散控制的传递过程最有效的方法之一,传递系数可比一般方法提高数倍到十几倍,这一特性受到普遍关注。撞击造成的另一结果是极大地促进混合,尤其是微观混合。当然,撞击流也存在活性区停留时间短的缺陷,极大地限制了其单独应用的范围;另外,撞击流存在活性区停留时间很短的突出缺点,且难以安排多级系统。对于大多数需要较长时间的化工过程,以适当的方式使撞击流与其它技术方法相结合、发挥各自的优势,才能取得良好的效果。化工过程实验教学中心董殿权说,选择一个合适的反应体系开发一个能够表述新型反应器的设计性实验,对于拓宽学生知识面、完善实验教学内容意义重大。
      沉淀法白炭黑现已广泛应用于橡胶、塑料、造纸、涂料、农药、食品、日化等行业。约70%左右的沉淀法白炭黑用于橡胶工业,近年来轮胎企业对白炭黑的质量要求不断提高,不仅要求白炭黑产品质量稳定,而且要求补强性能和分散性能俱佳。沉淀法制取白炭黑的工业反应装置都为间歇操作,主要弊端为每一釜反应过程间断及各釜间反应条件控制不连贯,造成产品质量不够稳定;单独的浸没循环撞击流反应器(SCISR)可以实现连续生产,此种方法有诸多缺点:难以控制不断生成的白炭黑在釜内的停留时间;产品由于重力不会自如的从上堰溢出;白炭黑产品质量微观不均匀,仍然存在质量不稳定的问题。
      ■ 为了改变不足,中心将撞击流与槽式搅拌两种混合反应方式结合运用,发挥各自的优势,独创性的设计了动态喷射撞击反应器,并实验于新型白炭黑的连续化生产工艺。在此基础上,将设计的连续化生产工艺应用于化学工程与工艺专业的实验教学,开发为从反应器组合到过程控制、产品检测分析的设计性实验《动态喷射撞击制取高分散型白炭黑》,创新性有以下几点:采用无级变速控制动态喷射流,实现微观混合均匀性的有效可控;突破传统撞击流反应束缚,将撞击流反应与槽式搅拌有机结合、微观混合与宏观控制相结合,反应过程停留时间大大延长,使得该成果延伸为类似反应过程的柔性生产装置;反映全过程采用分单元的微电脑数字化PLC触摸屏控制与反应器视窗式设计相结合,使反应过程直观、清晰、准确。
      实验成果的应用效果突出,07-08学年为化工05级开设此实验课,同学普遍反映此实验内容丰富、新颖有趣;本成果应用于白炭黑及其相近的工业生产过程,可以有效改善反应过程控制和产品质量,实用性强。通过对产品进行隔时测试,产品具有微米级的二次结构,验证了新成果的实用性。本成果目前也已应用于硕士论文《新型白炭黑的制备及连续化工艺研究》和本科毕业论文《新型白炭黑的制备》的研究过程,优化了喷射速度、对喷距离、反应温度、搅拌速度等工艺条件,并通过隔时测试连续化工艺生产的产品,证实了连续化生产白炭黑产品具有高分散性的二次结构而且质量稳定,
      ■ 培养工程实践能力强的高级应用型人才,一直是学院追求的目标。几年来由于学校的快速发展,新教师数量增加较快,其工程实践动手能力亟待加强,自制教学科研设备无疑对此提供了一个很好的途径。在整个自制设备的过程中,教师队伍的工程实践能力得到了锻炼。化工过程实验教学中心董殿权说,自制教学科研设备可以更有针对性地满足教学需要。在教学过程中,有些配合教学使用的设备,在市场上买不到或者不符合教学要求。自制教学设备小可拾遗补缺,大可完善整个实验课程体系的组合。针对开放性、综合性、创新性实验要求,结合专业实验课程体系研发的自制设备,其教学中的实践价值已明显高于他的经济效益。

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