淺談“工業(yè)催化知識”的引入對《化學(xué)工藝學(xué)》課程教學(xué)的作用

史玉琳+劉寧+陳凱+王賀云+楊露露

摘要：《化學(xué)工藝學(xué)》是以典型化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝為主線，介紹每個典型產(chǎn)品所涉及的化工過程，介紹過程中所涉及的工業(yè)催化劑。該書融入了全新的理念和教授方法，讓學(xué)生更加直觀地學(xué)習(xí)，更有興趣地學(xué)習(xí)《化學(xué)工藝學(xué)》這門課程。與傳統(tǒng)的教育思路不一樣的是，在上課期間，老師可以利用現(xiàn)代化的電子工具，進(jìn)行形象的視頻教學(xué)。同時，老師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)和工作的需要培養(yǎng)學(xué)生動手操作的能力，鍛煉學(xué)生學(xué)以致用的思維方式，使其在以后的進(jìn)一步深造和工作的過程中，能利用所學(xué)知識對催化劑在整個化工工程的重要作用有自己的獨(dú)特認(rèn)識，也為國家培養(yǎng)全能的高端人才做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)催化；化學(xué)工藝學(xué)；教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）02-0145-02

一、課程教學(xué)基本情況

石河子大學(xué)對化學(xué)工程與工藝專業(yè)和應(yīng)用化學(xué)本科專業(yè)開設(shè)了《化學(xué)工藝學(xué)》，該課總學(xué)時36，總學(xué)分2，教材選用的是朱志慶和房鼎業(yè)編審、化學(xué)工業(yè)出版社出版的2013版《化學(xué)工藝學(xué)》。課程設(shè)置的目的是培養(yǎng)從事化工生產(chǎn)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與研究開發(fā)工作的高級工程技術(shù)人才。

二、理論教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

1.課程內(nèi)容的改革。催化技術(shù)是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)，80%以上的化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)需要使用催化劑?！痘瘜W(xué)工藝學(xué)》教材中幾乎每一章都涉及不同類型的催化劑，然而大多數(shù)同學(xué)對工業(yè)催化劑及其應(yīng)用條件還不太了解。因此本書中介紹了工業(yè)催化劑的類型、制備方法及其原理，使同學(xué)們對工業(yè)催化有直觀的認(rèn)識，在本書的緒論部分我們有針對性地介紹了一些不同種類催化劑的基礎(chǔ)知識。

多相催化反應(yīng)的共同特點(diǎn)是反應(yīng)物在催化劑表面通過化學(xué)吸附生成活性中間體，在催化劑催化作用下，活性中間物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物，產(chǎn)物從催化劑表面脫附，催化劑得以復(fù)原。通常用“/”來區(qū)分載體與活性組分，如Ru/Al2O3表示釕負(fù)載在氧化鋁載體上，Pt/SiO2則表示鉑負(fù)載在氧化硅載體上。用“-”來區(qū)分各活性組分及助催化劑，如Pt-Sn/Al2O3表示鉑和錫雙金屬催化劑負(fù)載在氧化鋁載體上。通過這部分知識的學(xué)習(xí)，在教材中遇到不同催化劑時，同學(xué)們就能夠自己進(jìn)行判斷：這種工業(yè)催化劑的活性組分是什么？載體用的是什么材料？一般來說，工業(yè)催化劑是一種多相化學(xué)反應(yīng)過程，要求催化劑具有適宜的活性、高選擇性和長的壽命，讓同學(xué)們對工業(yè)催化劑有更加直觀的了解。工業(yè)催化劑種類眾多，制備方法各異，并且工業(yè)催化劑一般裝填量巨大，因此給同學(xué)們介紹工業(yè)催化劑的制備方法是非常重要的。常用固體催化劑的制備方法有沉淀法、浸漬法、混合法、熔融法、瀝濾法等。其中沉淀法和浸漬法是常用的制備方法，沉淀法是在含金屬鹽類的溶液中，加入沉淀劑，以便生成水合氧化物或碳酸鹽的結(jié)晶或凝膠，再將生成的沉淀分離、洗滌、干燥和焙燒。浸漬法制備催化劑有所不同，首先制備催化劑載體，載體是一種多孔的吸附材料，再將待負(fù)載組分的可溶性化合物溶解在水或溶劑中，配制成一定濃度的浸漬液，用配置好的浸漬液與載體混合，吸附一定時間，濾去過剩溶液，固體經(jīng)過干燥、煅燒和還原后制得負(fù)載型催化劑。固體催化劑最終都是以一定形態(tài)和尺寸在反應(yīng)器中使用，這是為了使氣體通過床層時不至于產(chǎn)生過大的壓降，使氣液在催化劑床層分布均勻。此外，工業(yè)催化劑還需承受搬運(yùn)、裝填和操作過程中氣流沖擊等破壞。這要求催化劑具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，因此催化劑成型是非常重要和必要的單元操作。通常工業(yè)催化劑有柱狀、球形、三葉草和空心形狀等。在成型方式上，一般可分為自給造粒成型和強(qiáng)制造粒成型，自給造粒成型包括滾動成球、噴動床成球等。強(qiáng)制造粒成型有壓片、擠條、破碎、滴液、噴霧干燥等。如Al2O3是最廣泛使用的催化劑載體，其加入粘結(jié)劑后具有較好的塑性，可通過擠條的方法成型——類似于壓面條的方法，一定粘度的Al2O3塑性體通過擠條機(jī)擠壓成型，選擇不同的擠出模具就可以制得各種形狀的催化劑。催化劑制備完成后不能立即使用，還需經(jīng)過煅燒活化才能填入反應(yīng)器中使用。煅燒是通過熱分解除掉易揮發(fā)組分而保留一定的化學(xué)組成，煅燒可以控制催化劑晶型、晶粒大小、孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積，同時提高催化劑的機(jī)械強(qiáng)度。為了形成催化反應(yīng)所需的活性結(jié)構(gòu)，催化劑一般還需進(jìn)行活化處理，活化是將催化劑由鈍態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛顫姂B(tài)催化劑的過程。通?？刹捎眠€原、氧化、硫化、羥基化等處理方法使催化劑活化。催化劑活化可以在反應(yīng)器外進(jìn)行，也可以直接在反應(yīng)器中進(jìn)行。

在之后的章節(jié)中，當(dāng)工藝過程中有催化劑參與時，我們都會簡單介紹所涉及的催化劑的特點(diǎn)及其制備方法，如第二章化工原料及其初步加工中。在介紹費(fèi)托合成時，我們會簡單介紹一下沉淀鐵催化劑的制備方法，介紹近年來國內(nèi)外對提高鐵基催化劑的活性和選擇性做的一些研究工作。在介紹合成氣制甲醇的MTG工藝時，我們會介紹分子篩的特點(diǎn)，分子篩的幾種重要的合成方法及其影響因素，以及分子篩擇形選擇性在工業(yè)催化上的重要應(yīng)用。第三章無機(jī)化工產(chǎn)品典型生產(chǎn)工藝中，我們會介紹工業(yè)上甲烷水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制合成氣催化劑的制備，包括載體的選擇、Ni擔(dān)載量的選擇、助劑的選擇、擔(dān)體表面改性的影響等。在氨的合成章節(jié)中，我們將詳細(xì)介紹典型熔鐵催化劑的制備方法：將一定量的精選磁鐵礦粉、還原劑與適量的助劑混合，放入特殊的鋼制爐內(nèi)，通電后依靠物質(zhì)的導(dǎo)電性及自身電阻，使混合物通電發(fā)熱熔融，隨后把高溫熔漿迅速置入冷卻槽內(nèi)，冷卻至室溫后凝結(jié)成黑色堅(jiān)硬固體，經(jīng)粉碎、篩取一定粒度的催化劑，就可以得到合成氨熔鐵催化劑。第四章基本有機(jī)化工產(chǎn)品典型生產(chǎn)工藝第4.3節(jié)，我們介紹了NiW/γ-Al2O3加氧催化劑的制備方法：將20～40目的γ-Al2O3載體于120℃干燥4 h，測試單位質(zhì)量載體的吸水量，以活性組分擔(dān)載量為依據(jù)，配制一定濃度的硝酸鎳和偏鎢酸銨鹽的混合溶液作為浸漬液，將干燥后的氧化鋁載體浸漬在此浸漬液中3 h，過濾出催化劑，在120℃下干燥3 h，然后在500℃下培燒4 h，得到不同Ni/W原子比的加氧催化劑。

2.理論教學(xué)方法的改革?；瘜W(xué)工藝學(xué)中涉及的工藝流程圖眾多，典型的工藝包括合成氨工藝、氯乙烯制備工藝等，若采用傳統(tǒng)的用粉筆板書的形式在黑板上畫工藝流程度，不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且授課過程枯燥，不利于學(xué)生理解。因此在教學(xué)中，我們采用多媒體教學(xué)，畫出工藝流程圖，并且在課件中制作了大量的生動的工廠現(xiàn)場照片、二維動畫、三維動話等多種教學(xué)形式的改進(jìn)。教學(xué)手段的多樣化是提高教學(xué)效果的重要途徑，采用該教學(xué)方式擴(kuò)大了教學(xué)信息量，使學(xué)生對化工典型產(chǎn)品工藝流程有總體的、深刻的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情。

三、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的探索

雖然石河子大學(xué)化學(xué)工藝學(xué)這門課沒有安排實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，但本校有多臺大型專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在理論課教學(xué)結(jié)束后，我們組織學(xué)生參觀專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，通過教師現(xiàn)場演示，使同學(xué)們了解小裝置工藝流程和主要設(shè)備。我校目前現(xiàn)有的相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置有：乙苯脫氫制苯乙烯，催化裂化裝置，原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾儀，固定床催化加氫裝置等。如在講授催化裂化設(shè)備時，我們以流化床催化裂化裝置為例，介紹裝置的主要設(shè)備：流化床反應(yīng)器，再生器，加熱爐，分餾塔。通過運(yùn)行裝置，使同學(xué)們加深對催化裂化工藝流程及參數(shù)的理解。在講授乙苯脫氫制苯乙烯時，我們會結(jié)合乙苯脫氫實(shí)驗(yàn)裝置，給同學(xué)們介紹反應(yīng)溫度、壓力對苯乙烯轉(zhuǎn)化率的影響。教材中雖然沒有介紹苯乙烯轉(zhuǎn)化率的計(jì)算，但我們將根據(jù)裝置自帶的氣相色譜分析儀，講述苯乙烯轉(zhuǎn)化率的計(jì)算方法。通過一系列實(shí)踐教學(xué)改革，培養(yǎng)同學(xué)們對所學(xué)專業(yè)知識綜合理解能力和應(yīng)用實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的化工專業(yè)知識，獨(dú)立分析和解決化工生產(chǎn)中實(shí)際問題的能力。

四、結(jié)語

綜上所述，改革后的《化學(xué)工藝學(xué)》課程在理論教學(xué)中引入了工業(yè)催化知識，以典型化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝為主線，課程以講授為主，同時綜合運(yùn)用多媒體教學(xué)手段和“啟發(fā)與互動式”等教學(xué)方法，將專業(yè)實(shí)驗(yàn)儀器作為實(shí)踐性教學(xué)的重要組成部分引入到理論課教學(xué)中，使同學(xué)們深入理解化學(xué)加工過程的基本原理、工藝參數(shù)、流程組織、環(huán)境影響等，充分調(diào)動化工專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)工程與工藝基本原理解決實(shí)際生產(chǎn)問題的能力，收獲了可觀的教學(xué)效果。

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