基于实践项目的化工安全综合实验设计_程家骥.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023教学园地基于实践项目的化工安全综合实验设计程家骥,张 峰,管 雨,李超杰(青岛科技大学环境与安全工程学院,山东 青岛 266042)摘 要:以工程实际应用情况为切入点,设计了一个有关化工设备防火的综合性实验项目。实验内容包含防火实验方案设计、防火机理分析、表面防火涂层制备及其性能分析等。在整个实验的进行过程中,能够使学生更深入地理解和掌握具体环境下化工设备的防火技术和涂层的防火机理,同时掌握多种防火性能研究手段和测试方法。由于实验项目涉及多种实验测试,有利于提高学生对专业实验的整体理解,该实验还能促进学生的创新思维,为其以后开展科学研究打下基础。关键词:安全工程;化工设备防火;综合性实验;实验教学中图分类号:TB35 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0230-03 基金项目:国家自然科学基金项目(51806113);国家级一流本科建设点(教高厅函 2021 7 号)。第一作者:程家骥(1993-),男,博士,副教授,主要研究方向为安全功能材料。Design of Comprehensive Experiment on Steel Structure Fire-proofingBased on Practical ProjectsCHENG Jia-ji,ZHANG Feng,GUAN Yu,LI Chao-jie(College of Environment and Safety Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266042,China)Abstract:Based on practical engineering problems,a comprehensive experimental project was designed to study thefire-proofing behavior of chemical equipment.The content of the experiment included the design of fireproofing,theanalysis of fire resistance mechanism,the preparation of fire protection coating and its performance analysis.During thewhole experimentation,students could deeply understand the anti-corrosion technology of steel structure fire-proofingmechanism and fire resistance mechanism and test methods.Various tests were involved in the experiment,whichcontributed to the general understanding about the professional experiments and the cultivation of students innovativethinking and scientific research ability.Key words:safety engineering;steel structure fire-proofing;comprehensive experiment;experiment teaching近年来,虽然国家和各级政府对化工安全工作日益重视,但是,各类化工安全事故仍然层出不穷1。因此,为不断促进化工安全生产工作的开展,安全工程专业人才的培养尤为重要2。其中,安全工程课程的开设质量起到了非常重要的作用3。化工安全综合实验是安全工程本科专业课程体系的重要组成部分,主要目的是将基础化学、安全工程专业知识运用到实验中,在实验过程中能够利用各类仪器对实验对象进行表征,对测试过程出现的问题能够提出解决方案,并能分析实验结果,验证或拟合模型参数,获取有效结论4-5。化工安全综合实验的开展能够为学生提供更加直观的专业知识学习机会,通过实验过程中的操作和对实验现象的观察可以更加深刻的理解整体的专业知识体系,最终使学生利用所学知识,结合工程实际需求,发现问题,解决问题6。现阶段化工安全综合实验与生产实际联系紧密,主要包括“热辐射强度的测试”、“物质热分析测试”、“物质热危害分析”、“热辐射防护分析”等多个实验,各个实验独立开设。但是在教学实践过程中发现部分学生认为课程中多数实验为观察性实验,并且独立开设,不利于对知识的整体理解。因此,将实际生产中的安全问题和产业的实际问题转化为综合性实验内容,在使学生学习到专业知识的基础上还能进一步提升其专业知识水平,并且对培养创新能力具有重要的意义。1 实验设计化工设备防火综合教学实验主要包括两大块内容,一是防火理论,及膨胀阻燃理论;二是膨胀阻燃涂层设计和方法。原有的化工安全综合实验多为观察性试验,学生仅通过单一知识点进行认识和学习,并且与实际应用脱节。为了更好的提高教学效果,在实验项目设计过程中,教师根据实际科研课题设置实验目的,学生自主查阅文献确定初步实验方案,并在教师的指导下制定具体的子实验及实验方案,然后开展相关的测试分析。根据前期调研,并结合实际项目需求,设计了“化工设备防火涂层设计和防火行为研究”综合性实验项目。本实验项目以实际应用为基础,结合了实验课程所学知识点,利用子实验将多个知识点串联、融合,是学生在学到知识点的同时锻炼其第 51 卷第 2 期程家骥,等:基于实践项目的化工安全综合实验设计231 解决实际问题的能力。2 实验过程2.1 实验材料Q235 钢是一种普通碳素结构钢,由于其含碳量适中,综合性能较好,拉伸强度、屈服强度、和焊接等性都能达到较好的水平,被广泛的应用于制作桥梁、容器、厂房房架等领域。但是由于钢材在 500 600 左右时强度会下降三分之二以上,并且在高温的环境下,钢材的形态会发生变化,结构承重能力会急剧下降。因此,Q235 钢在这些应用环境,会面临严重的防火问题。本实验以 Q235 低碳钢为实验钢材,以环氧树脂为成膜物,膨胀阻燃体系选取季戊四醇(炭源)、聚磷酸铵(酸源)、三聚氰胺(气源),根据防火涂层中膨胀阻燃体系各组分的不同配比设置对照组、实验组 1、实验组 2、实验组 3,各组分的具体配比如表 1 所示。表 1 各组防火涂层中组分及配比Table 1 The composition and proportion of each groupof fire-resistant coating(wt%)对照组实验组 1实验组 2实验组 3环氧树脂100808080季戊四醇-121212聚磷酸铵-428三聚氰胺-4822.2 实验方法2.2.1 化工设备防火涂料的温度-质量变化测试基于本科生实验教学特点,为了更好的使学生理解复杂测试仪器的工作原理及输出结果的含义,根据标准测试仪器工作原理,对部分实验装置进行了重构设计。比如同步热分析仪是一种检测物质温度-质量变化关系的仪器,当被测物质在外部环境不断升温过程中,发生分解、汽化等行为,最终导致物质的质量不断发生变化。根据其工作原理,设计出的温度-质量变化测试仪如图 1 所示。图 1 温度-质量变化测试仪示意图Fig.1 The test diagram of temperature and mass change通过该仪器,学生可以直观的观察到样品在不同温度时的状态,以及质量-温度曲线中不同阶段对应的样品变化。具体实验步骤如下:(1)将对照组、实验组 1、实验组 2、实验组 3 的涂料均匀的涂敷于钢材表面;(2)将对照组、实验组 1、实验组 2、实验组 3 涂覆的钢板单独放置于玻璃管内,(3)开始加热,以10 /min 的升温速度由室温上升至600,记录钢板表面形态变化和重量变化,如图 2 所示。图 2 剩余质量变化Fig.2 The change of residual mass通过分析,对照组质量从 300 左右开始快速下降,在400 时质量下降到 25%,然后保持稳定。实验组 1、实验组2、实验组3 质量从300 左右开始快速下降,但是下降速度低于对照组,与此同时,可能观察到实验组1、实验组2、实验组3 中钢材表面出现膨胀碳层。在 500 时质量下降到 30%45%,其中实验组 3 的剩余质量最多,实验组 1 次之,实验组2 最少。2.2.2 化工设备防火涂料隔热效果测试化工设备防火涂料的隔热效果利用辐射加热-测温装置可以更加直观的揭示其效果。为了使学生能够更好地从“热辐射”“热防护”“热危害”的角度进行学习,设计出辐射加热-测温装置如图 3 所示。通过分析,对照组背面的温度从实验开始后就快速上升,然后在 600 s 左右缓慢上升至 450 后保持稳定。实验组在实验前期温度上升较为缓慢,在 200 400 s 阶段温度保持稳定。实验组2 在400 s 后温度逐渐上升到350,而实验组1 温度上升速度较慢,在 1500 s 才上升至 340。实验组 3 的温度上升速度最慢,1600 s 时仅达到 300。图 3 辐射加热-测温装置Fig.3 The diagram of radiation heating andtemperature measurement通过该装置,学生可以直观的观察化工设备防火涂料隔热效果。具体实验步骤如下:(1)将对照组、实验组 1、实验组 2、实验组 3 的涂料均匀的涂敷于钢材表面;(2)将对照组、实验组 1、实验组 2、实验组 3 涂覆的钢板放置载物台中,(3)以 35 kW 的功率开始加热,记录钢板背面的温度变化,如图 4 所示。232 广 州 化 工2023 年 1 月图 4 钢板背面的温度变化Fig.4 The temperature of back of steel plate结合化工设备防火涂料的温度-质量变化测试和化工设备防火涂料隔热效果测试结果,可以得出季戊四醇、聚磷酸铵、三聚氰胺三者与环氧树脂可以形成膨胀炭层,并且三者的配比会影响形成炭层的效果。其中实验组 3 的效果最好,这是由于聚磷酸铵作为成炭催化剂能使季戊四醇脱羧,形成炭层,而三聚氰胺受热分解产生大量的气体使炭层膨胀,在基材表面形成隔热保护层7-8。实验组 1 和实验组 2 中的聚磷酸铵的添加量较少,导致无法产生足够量的炭层,使膨胀炭层的保护效果下降。3 结 论本实验项目以目前常用的化工设备(以 Q235 低碳钢为例)的防火问题为研究对象,具有实际工程应用背景,具体内容包含了化工安全综合实验课程的大部分基础理论知识,还涉及火灾科学、材料化学等其他相关专业课程的内容,实现了专业课程的系统化和一体化。在整个实验的进行过程中,能够使学生更深入地理解和掌握具体环境下化工设备的防火技术和涂层的防火机理,同时掌握多种防火性能研究手段和测试方法。由于实验项目涉及多种实验测试,有利于提高学生对专业实验的整体理解,该实验还能促进学生的创新思维,为其以后开展科学研究打下基础。参考文献1 叶秉良,汪进前,李五一,等.高校实验室安全管理体系构建与实践J.实验室研究与探索,2021,40(7):300-304.2 孟晓静,周宇浩,付林志,等.本科生导师制下安全工程专业学业指导体系建设J.高教学刊,2021,7(22):70-73.3 许素睿,梁梵洁,谢振华,等.高校安全科学与工程类专业一体化建设模式研究J.中国安全科学学报,2021,31(5):70-76.4 陶菁,毛亚军,阳富强.高校实验室安全管理双重预防机制构建及应用J.实验技术与管理,2021,38(6):273-27