“化學(xué)反應(yīng)工程”課程思政教學(xué)設(shè)計
——以氣固催化反應(yīng)為例

符開云 劉 清 湯吉海 夏 銘 周浩力

(南京工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,江蘇 南京 211816)

“化學(xué)反應(yīng)工程”是大學(xué)本科化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心主干課程之一。課程的主要任務(wù)是講授如何將化學(xué)反應(yīng)在工業(yè)上安全、高效、綠色、節(jié)能地實現(xiàn)。研究內(nèi)容包括化學(xué)反應(yīng)與傳遞過程相互耦合的宏觀反應(yīng)過程,反應(yīng)器內(nèi)組成、溫度和壓力的變化規(guī)律,反應(yīng)器體積設(shè)計、操作條件與結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及動態(tài)操作控制等。通過本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生要掌握反應(yīng)工程的基本概念,培養(yǎng)設(shè)計工業(yè)反應(yīng)器的工程思維,初步具備分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

“化學(xué)反應(yīng)工程”具有概念多、數(shù)學(xué)模型多、公式推導(dǎo)和計算困難等特點,理論性、實踐性和綜合性強(qiáng),是一門公認(rèn)的學(xué)生難學(xué)、老師難教的課程。很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中,無法找出核心知識點,不能與生活中的案例進(jìn)行關(guān)聯(lián),更不能把零散的知識點聯(lián)系起來解決實際問題。學(xué)生面對枯燥繁雜的設(shè)計方程公式、復(fù)雜的推導(dǎo)過程,會感到乏力,很快就失去了對課程學(xué)習(xí)的興趣。近年來,新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)提出了更高的要求[1]。“化學(xué)反應(yīng)工程”課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計要將課程學(xué)習(xí)、案例教學(xué)和思政元素有機(jī)結(jié)合,在教學(xué)目標(biāo)、實施方案、教學(xué)方法和效果評價等方面進(jìn)行教學(xué)改革與創(chuàng)新,才能培養(yǎng)出符合當(dāng)今社會發(fā)展需求的學(xué)生[2]。

氣固催化反應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。因此氣固催化反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計是大多數(shù)反應(yīng)工程教材的重點章節(jié)。工業(yè)氣固催化過程非常復(fù)雜,是化學(xué)反應(yīng)與流動及熱質(zhì)傳遞等多因素相耦合的宏觀反應(yīng)過程,需要充分考慮安全、低碳、經(jīng)濟(jì)和智能控制等工程和環(huán)保因素,可作為“化學(xué)反應(yīng)工程”課程綜合性和復(fù)雜性的一個縮影[3]。作者以氣固催化中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象為例,介紹融入案例教學(xué)與思政元素的課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計,培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新思維,提升學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

1 氣固催化反應(yīng)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計背景

1.1 教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)

氣固催化的宏觀反應(yīng)速率是設(shè)計和操作催化反應(yīng)器的重要依據(jù)。在氣固催化過程中,由于內(nèi)外擴(kuò)散的影響,催化劑顆粒內(nèi)外濃度和溫度呈現(xiàn)非均勻分布,導(dǎo)致了催化劑內(nèi)各處的反應(yīng)速率并不相同。宏觀反應(yīng)速率不僅與催化反應(yīng)體系的本征反應(yīng)速率有關(guān),還與傳質(zhì)、傳熱速率有關(guān)。確定宏觀反應(yīng)速率與本征反應(yīng)速率之間的關(guān)系,并提出減小傳遞現(xiàn)象對催化反應(yīng)的合理措施,對實現(xiàn)高效催化具有重要意義。

學(xué)生通過該部分知識點的學(xué)習(xí),在“理解”層面學(xué)生需要熟悉氣固催化反應(yīng)過程的各步驟及相互關(guān)系以及反應(yīng)與傳遞相耦合的概念;在“應(yīng)用”層面需要鍛煉從工程角度分析催化劑參數(shù)對催化性能的影響以及如何“多快好省”提高催化劑效率的能力;在“研究”層面需要學(xué)生了解催化劑研發(fā)技術(shù)的發(fā)展方向和挑戰(zhàn);在“思政”層面需要學(xué)生從中得到啟發(fā),正確認(rèn)識外界和內(nèi)在因素會影響個人自身發(fā)展,提升學(xué)習(xí)激情,學(xué)會自我管理,使個人潛能得到最大發(fā)揮。

1.2 學(xué)生情況分析

課程的學(xué)習(xí)對象是化學(xué)工程與工藝專業(yè)大三的學(xué)生。這些學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“高等數(shù)學(xué)”“物理化學(xué)”“化工原理”“化工熱力學(xué)”和“傳遞過程”等課程,能理解氣固催化反應(yīng)進(jìn)行的過程,了解化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、物料衡算式和熱量衡算式設(shè)計方程的建立。經(jīng)過大二的認(rèn)識實習(xí)環(huán)節(jié)進(jìn)入工廠,對工業(yè)反應(yīng)器有了一定的感官認(rèn)識。

目前“00后”大學(xué)生在信息發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)時代生活和學(xué)習(xí),能很方便地從互聯(lián)網(wǎng)上搜索到很多化學(xué)工業(yè)的元素。在新工科建設(shè)引領(lǐng)下,“00后”大學(xué)生逐步了解并學(xué)會使用先進(jìn)的化工相關(guān)模擬軟件,如Aspen Plus、Matlab和Comosl Multiphysics等,對反應(yīng)過程進(jìn)行建模、數(shù)值求解和參數(shù)分析[4]。學(xué)生在計算機(jī)軟件的輔助下可以更好地將學(xué)習(xí)重點回歸到化學(xué)反應(yīng)工程課程本身,即主要培養(yǎng)分析和解決工業(yè)反應(yīng)器問題的能力,而不必花費太多時間和精力在枯燥繁雜的公式推導(dǎo)和關(guān)聯(lián)式計算上。

2 思政元素融入的氣固催化反應(yīng)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

2.1 概念引入,多形式展示,化抽象為直觀

固體催化劑能改變化學(xué)反應(yīng)速率,在現(xiàn)代化學(xué)工程中起著關(guān)鍵作用。氣固催化反應(yīng)過程會經(jīng)歷七個步驟:(1)反應(yīng)物從主體相擴(kuò)散到催化劑外表面;(2)反應(yīng)物從催化劑外表面向內(nèi)表面擴(kuò)散;(3)反應(yīng)物吸附在催化劑表面;(4)吸附態(tài)的反應(yīng)物生成吸附態(tài)的產(chǎn)物;(5)吸附態(tài)的產(chǎn)物從催化劑表面脫落;(6)產(chǎn)物從催化劑孔內(nèi)向孔外擴(kuò)散;(7)產(chǎn)物從催化劑外表面向主體相擴(kuò)散。

在講解氣固催化過程中反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象時,可以借助多媒體教學(xué)方法,如通過直觀的圖片、動畫和視頻等形式將各個步驟展示出來,化抽象為直觀,這既可以讓學(xué)生更易于理解也能縮短講解時間。在講解七個步驟的關(guān)聯(lián)時,可以通過阻力串、并聯(lián)示意圖的方式加以解釋。內(nèi)擴(kuò)散和表面反應(yīng)同步進(jìn)行,屬于并聯(lián)的關(guān)系,而外擴(kuò)散步驟與催化劑內(nèi)的表面反應(yīng)及內(nèi)擴(kuò)散步驟屬于串聯(lián)關(guān)系。

2.2 引入案例教學(xué),融入思政元素,升華課程內(nèi)容

由教學(xué)內(nèi)容可知,影響氣固催化反應(yīng)速率的因素包括反應(yīng)過程和傳遞過程。在講解催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)對催化過程的宏觀反應(yīng)速率的影響時,可以采用催化領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和生活中常見的案例予以闡述,以便讓學(xué)生更好理解氣固催化反應(yīng)過程和可采取的有效措施,并激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的興趣。下面以“單原子催化”和“面向汽車尾氣凈化的蜂窩型催化劑”為例,分別闡述如何提高本征反應(yīng)速率和如何降低傳遞過程的影響。

案例一:開發(fā)單原子催化劑,提高原子利用效率

固體催化劑通常由活性組分、助催化劑和載體三部分構(gòu)成?；钚越M分和助催化劑分布在載體上。在氣固催化中,反應(yīng)物與催化劑之間的相互作用發(fā)生在固體表面的活性位點上。一般來說,活性組分顆粒尺寸越小,與載體間相互作用越強(qiáng),所制得催化劑的催化活性越高。然而活性組分在高溫制備和反應(yīng)過程中易發(fā)生顆粒團(tuán)聚和燒結(jié),改變微觀組成和結(jié)構(gòu),使活性組分比表面積降低,從而嚴(yán)重影響了催化劑的反應(yīng)活性與穩(wěn)定性。因此,如何提高活性組分的分散程度和原子利用率一直是催化劑領(lǐng)域的核心問題之一。

“單原子催化劑”是由中科院大連化物所張濤團(tuán)隊與清華大學(xué)教授李雋、美國亞利桑那州立大學(xué)劉景月教授在2011年首次報道Pt1/FeOx單原子催化劑時提出的[5]。將活性組分高度分散,當(dāng)分散到極限時即為單原子催化劑。單原子催化劑具有高活性、最大化的原子利用率和最小化的催化劑用量等優(yōu)點,迅速成為催化領(lǐng)域的研究前沿。如貴金屬催化劑具有較高的活性,耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)良特性,在很多種催化反應(yīng)中都不可替代。目前約有一半的催化反應(yīng)會用到貴金屬催化劑。提高貴金屬的原子利用率對增強(qiáng)工藝過程的經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)品競爭力,具有十分重要的積極意義。單原子催化的提出和發(fā)展有助于促進(jìn)我國催化行業(yè)由“高能耗、高污染、高投入”的粗放型生產(chǎn)模式向“資源節(jié)約、環(huán)境友好、高端智能”的新模式轉(zhuǎn)變,從而達(dá)到提高效率、減少污染和降低成本的目的,助力“雙碳”戰(zhàn)略的落地。

從個人發(fā)展來說,勤奮、努力就是成功的催化劑,但人時常會產(chǎn)生迷茫和困惑,耗費精力,只有學(xué)會自我管理,找準(zhǔn)努力方向,改進(jìn)做事方法,才能讓自己在有限的時間和精力里使付出得到最大的回報。從社會層面來說,人才是最寶貴的財富,用人如不能以德為先、任人唯賢,選拔人才到合適的崗位為人民服務(wù),便會造成人才的埋沒和資源的浪費。

案例二:面向汽車尾氣凈化的蜂窩型催化劑

汽車是目前人們的主要交通方式之一,讓出行更便捷。我國汽車保有量已經(jīng)全世界第一,但汽車尾氣中含有一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物(NOx)等有害氣體,直接排放將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著環(huán)保意識的日益提高,“綠水青山就是金山銀山”的理念逐漸深入人心,對汽車尾氣的排放標(biāo)準(zhǔn)越發(fā)嚴(yán)格。采用鉑、鈀、銠等貴金屬催化劑,將廢氣中的CO、HC和NOx氧化還原為無害的H2O、CO2和N2,可顯著降低污染。在踐行“綠水青山就是金山銀山”和“雙碳”戰(zhàn)略的發(fā)展理念下,如何在小體積、便攜式的汽車尾氣凈化器中高效、節(jié)能、環(huán)保地實現(xiàn)廢氣的凈化,面臨著極大地挑戰(zhàn)。

由教學(xué)內(nèi)容可知,在氣固催化反應(yīng)中,內(nèi)、外擴(kuò)散會影響組分的濃度分布,因此傳遞性能對氣固催化的反應(yīng)速率影響很大。當(dāng)催化劑活性很高時,反應(yīng)組分與催化劑之間的質(zhì)量和熱量傳遞過程就變?yōu)橹匾蛩?甚至成為速率控制步驟。因此,傳遞過程強(qiáng)化對提升催化性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的催化劑常被制備為尺寸不等的顆粒狀。然而催化劑顆粒過小會極大增大床層壓降,過大又會導(dǎo)致內(nèi)擴(kuò)散阻力顯著增大,引起催化劑活性組分利用率低或高溫?zé)Y(jié)現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)化催化劑的提出為解決傳遞過程強(qiáng)化提供了新的思路。

目前,面向汽車尾氣凈化的催化劑由載體骨架和表面的活性涂層組成,常被制備成蜂窩式結(jié)構(gòu),具備體積小、氣阻低、比表面積大、沖擊韌性高、耐熱性好、金屬催化劑活力鍍層薄等優(yōu)勢[6]。蜂窩式催化劑的內(nèi)部通道直徑為0.001～0.01 m,通道密度為20～2 000 cpsi (cells per square inch),能有效縮短物質(zhì)和熱量的內(nèi)擴(kuò)散距離、提高傳遞性能和減小流動阻力。這使得汽車尾氣凈化能集成在一個便攜的、可安裝在汽車底部的小盒內(nèi)完成,而且能提高貴金屬活性涂層的利用率。

如同傳遞現(xiàn)象阻礙了催化劑發(fā)揮其最大潛能一樣,一個人在學(xué)習(xí)和生活中,也會受很多內(nèi)在和外部因素的影響,無法發(fā)揮最大潛能。如經(jīng)常的自我否定容易將自己限定在一個狹小的精神角落,畏首畏尾,不敢更好地展現(xiàn)自我。心理“舒適區(qū)”也會影響個人潛能的發(fā)揮。個人總喜歡按照自己的習(xí)慣去做事、做自己熟悉的事。然而沉溺于“舒適區(qū)”的人,容易不思進(jìn)取、故步自封,不敢做大膽的創(chuàng)新。不和諧的社會關(guān)系、不公平的競爭環(huán)境、不合理的激勵機(jī)制等外在因素,也會使人們向現(xiàn)實低頭、向困難妥協(xié)、對未來不抱希望。因此,在教學(xué)過程中,老師要多啟發(fā)學(xué)生的思維,引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生修身養(yǎng)性、攻堅克難、砥礪前行,努力提高文化素養(yǎng)和家國情懷。

3 結(jié)論

“化學(xué)反應(yīng)工程”是一門難教、難學(xué),也是具有豐富內(nèi)涵和利于培養(yǎng)創(chuàng)造思維的課程。本文以“氣固催化中的反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象”為教學(xué)內(nèi)容,通過引入催化前沿技術(shù)“單原子催化劑”和日常生活中的“汽車尾氣催化凈化”兩個案例進(jìn)行教學(xué),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率,并融入思政元素,突出化工催化過程要向高端化、綠色化和智能化轉(zhuǎn)型的發(fā)展理念。力求讓學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)能在“理解”“應(yīng)用”“研究”和“思政”四個層面得到收獲。