“化學反應工程”課程思政教學設計
——以氣固催化反應為例

符開云 劉 清 湯吉海 夏 銘 周浩力

(南京工業大學 化工學院,江蘇 南京 211816)

“化學反應工程”是大學本科化學工程與工藝專業的核心主干課程之一。課程的主要任務是講授如何將化學反應在工業上安全、高效、綠色、節能地實現。研究內容包括化學反應與傳遞過程相互耦合的宏觀反應過程,反應器內組成、溫度和壓力的變化規律,反應器體積設計、操作條件與結構優化以及動態操作控制等。通過本課程的學習,學生要掌握反應工程的基本概念,培養設計工業反應器的工程思維,初步具備分析和解決復雜工程問題的能力。

“化學反應工程”具有概念多、數學模型多、公式推導和計算困難等特點,理論性、實踐性和綜合性強,是一門公認的學生難學、老師難教的課程。很多學生在學習過程中,無法找出核心知識點,不能與生活中的案例進行關聯,更不能把零散的知識點聯系起來解決實際問題。學生面對枯燥繁雜的設計方程公式、復雜的推導過程,會感到乏力,很快就失去了對課程學習的興趣。近年來,新工科建設對人才培養提出了更高的要求[1]?！盎瘜W反應工程”課程的教學內容設計要將課程學習、案例教學和思政元素有機結合,在教學目標、實施方案、教學方法和效果評價等方面進行教學改革與創新,才能培養出符合當今社會發展需求的學生[2]。

氣固催化反應在工業生產中占有舉足輕重的地位。因此氣固催化反應動力學和反應器設計是大多數反應工程教材的重點章節。工業氣固催化過程非常復雜,是化學反應與流動及熱質傳遞等多因素相耦合的宏觀反應過程,需要充分考慮安全、低碳、經濟和智能控制等工程和環保因素,可作為“化學反應工程”課程綜合性和復雜性的一個縮影[3]。作者以氣固催化中的化學反應與傳遞現象為例,介紹融入案例教學與思政元素的課程教學內容設計,培養學生工程創新思維,提升學生分析和解決復雜工程問題的能力。

1 氣固催化反應教學內容設計背景

1.1 教學內容和目標

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

學生通過該部分知識點的學習,在“理解”層面學生需要熟悉氣固催化反應過程的各步驟及相互關系以及反應與傳遞相耦合的概念;在“應用”層面需要鍛煉從工程角度分析催化劑參數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”層面需要學生了解催化劑研發技術的發展方向和挑戰;在“思政”層面需要學生從中得到啟發,正確認識外界和內在因素會影響個人自身發展,提升學習激情,學會自我管理,使個人潛能得到最大發揮。

1.2 學生情況分析

課程的學習對象是化學工程與工藝專業大三的學生。這些學生已經學習了“高等數學”“物理化學”“化工原理”“化工熱力學”和“傳遞過程”等課程,能理解氣固催化反應進行的過程,了解化學反應動力學、物料衡算式和熱量衡算式設計方程的建立。經過大二的認識實習環節進入工廠,對工業反應器有了一定的感官認識。

目前“00后”大學生在信息發達的互聯網時代生活和學習,能很方便地從互聯網上搜索到很多化學工業的元素。在新工科建設引領下,“00后”大學生逐步了解并學會使用先進的化工相關模擬軟件,如Aspen Plus、Matlab和Comosl Multiphysics等,對反應過程進行建模、數值求解和參數分析[4]。學生在計算機軟件的輔助下可以更好地將學習重點回歸到化學反應工程課程本身,即主要培養分析和解決工業反應器問題的能力,而不必花費太多時間和精力在枯燥繁雜的公式推導和關聯式計算上。

2 思政元素融入的氣固催化反應教學內容設計

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反應速率,在現代化學工程中起著關鍵作用。氣固催化反應過程會經歷七個步驟:(1)反應物從主體相擴散到催化劑外表面;(2)反應物從催化劑外表面向內表面擴散;(3)反應物吸附在催化劑表面;(4)吸附態的反應物生成吸附態的產物;(5)吸附態的產物從催化劑表面脫落;(6)產物從催化劑孔內向孔外擴散;(7)產物從催化劑外表面向主體相擴散。

在講解氣固催化過程中反應與傳遞現象時,可以借助多媒體教學方法,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,這既可以讓學生更易于理解也能縮短講解時間。在講解七個步驟的關聯時,可以通過阻力串、并聯示意圖的方式加以解釋。內擴散和表面反應同步進行,屬于并聯的關系,而外擴散步驟與催化劑內的表面反應及內擴散步驟屬于串聯關系。

2.2 引入案例教學,融入思政元素,升華課程內容

由教學內容可知,影響氣固催化反應速率的因素包括反應過程和傳遞過程。在講解催化劑結構參數對催化過程的宏觀反應速率的影響時,可以采用催化領域的最新研究進展和生活中常見的案例予以闡述,以便讓學生更好理解氣固催化反應過程和可采取的有效措施,并激發學生深入學習的興趣。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速率和如何降低傳遞過程的影響。

案例一:開發單原子催化劑,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成?；钚越M分和助催化劑分布在載體上。在氣固催化中,反應物與催化劑之間的相互作用發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,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過程中易發生顆粒團聚和燒結,改變微觀組成和結構,使活性組分比表面積降低,從而嚴重影響了催化劑的反應活性與穩定性。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隊與清華大學教授李雋、美國亞利桑那州立大學劉景月教授在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點,迅速成為催化領域的研究前沿。如貴金屬催化劑具有較高的活性,耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等優良特性,在很多種催化反應中都不可替代。目前約有一半的催化反應會用到貴金屬催化劑。提高貴金屬的原子利用率對增強工藝過程的經濟性及產品競爭力,具有十分重要的積極意義。單原子催化的提出和發展有助于促進我國催化行業由“高能耗、高污染、高投入”的粗放型生產模式向“資源節約、環境友好、高端智能”的新模式轉變,從而達到提高效率、減少污染和降低成本的目的,助力“雙碳”戰略的落地。

從個人發展來說,勤奮、努力就是成功的催化劑,但人時常會產生迷茫和困惑,耗費精力,只有學會自我管理,找準努力方向,改進做事方法,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,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全世界第一,但汽車尾氣中含有一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)等有害氣體,直接排放將造成嚴重的環境污染。隨著環保意識的日益提高,“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準越發嚴格。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”戰略的發展理念下,如何在小體積、便攜式的汽車尾氣凈化器中高效、節能、環保地實現廢氣的凈化,面臨著極大地挑戰。

由教學內容可知,在氣固催化反應中,內、外擴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速率影響很大。當催化劑活性很高時,反應組分與催化劑之間的質量和熱量傳遞過程就變為重要因素,甚至成為速率控制步驟。因此,傳遞過程強化對提升催化性能至關重要。傳統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,過大又會導致內擴散阻力顯著增大,引起催化劑活性組分利用率低或高溫燒結現象。結構化催化劑的提出為解決傳遞過程強化提供了新的思路。

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構,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勢[6]。蜂窩式催化劑的內部通道直徑為0.001～0.01 m,通道密度為20～2 000 cpsi (cells per square inch),能有效縮短物質和熱量的內擴散距離、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完成,而且能提高貴金屬活性涂層的利用率。

如同傳遞現象阻礙了催化劑發揮其最大潛能一樣,一個人在學習和生活中,也會受很多內在和外部因素的影響,無法發揮最大潛能。如經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,不敢更好地展現自我。心理“舒適區”也會影響個人潛能的發揮。個人總喜歡按照自己的習慣去做事、做自己熟悉的事。然而沉溺于“舒適區”的人,容易不思進取、故步自封,不敢做大膽的創新。不和諧的社會關系、不公平的競爭環境、不合理的激勵機制等外在因素,也會使人們向現實低頭、向困難妥協、對未來不抱希望。因此,在教學過程中,老師要多啟發學生的思維,引導和鼓勵學生修身養性、攻堅克難、砥礪前行,努力提高文化素養和家國情懷。

3 結論

“化學反應工程”是一門難教、難學,也是具有豐富內涵和利于培養創造思維的課程。本文以“氣固催化中的反應與傳遞現象”為教學內容,通過引入催化前沿技術“單原子催化劑”和日常生活中的“汽車尾氣催化凈化”兩個案例進行教學,提高學生的學習興趣和效率,并融入思政元素,突出化工催化過程要向高端化、綠色化和智能化轉型的發展理念。力求讓學生通過課程學習能在“理解”“應用”“研究”和“思政”四個層面得到收獲。