淺談“工業催化知識”的引入對《化學工藝學》課程教學的作用

史玉琳+劉寧+陳凱+王賀云+楊露露

摘要：《化學工藝學》是以典型化工產品生產工藝為主線，介紹每個典型產品所涉及的化工過程，介紹過程中所涉及的工業催化劑。該書融入了全新的理念和教授方法，讓學生更加直觀地學習，更有興趣地學習《化學工藝學》這門課程。與傳統的教育思路不一樣的是，在上課期間，老師可以利用現代化的電子工具，進行形象的視頻教學。同時，老師根據學生的學習和工作的需要培養學生動手操作的能力，鍛煉學生學以致用的思維方式，使其在以后的進一步深造和工作的過程中，能利用所學知識對催化劑在整個化工工程的重要作用有自己的獨特認識，也為國家培養全能的高端人才做出應有的貢獻。

關鍵詞：工業催化；化學工藝學；教學

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

一、課程教學基本情況

石河子大學對化學工程與工藝專業和應用化學本科專業開設了《化學工藝學》，該課總學時36，總學分2，教材選用的是朱志慶和房鼎業編審、化學工業出版社出版的2013版《化學工藝學》。課程設置的目的是培養從事化工生產領域的設計、運行與研究開發工作的高級工程技術人才。

二、理論教學環節的改革

1.課程內容的改革。催化技術是現代化學工業的基礎，80%以上的化學工業的生產需要使用催化劑。《化學工藝學》教材中幾乎每一章都涉及不同類型的催化劑，然而大多數同學對工業催化劑及其應用條件還不太了解。因此本書中介紹了工業催化劑的類型、制備方法及其原理，使同學們對工業催化有直觀的認識，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知識。

多相催化反應的共同特點是反應物在催化劑表面通過化學吸附生成活性中間體，在催化劑催化作用下，活性中間物進行化學反應生成產物，產物從催化劑表面脫附，催化劑得以復原。通常用“/”來區分載體與活性組分，如Ru/Al2O3表示釕負載在氧化鋁載體上，Pt/SiO2則表示鉑負載在氧化硅載體上。用“-”來區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載在氧化鋁載體上。通過這部分知識的學習，在教材中遇到不同催化劑時，同學們就能夠自己進行判斷：這種工業催化劑的活性組分是什么？載體用的是什么材料？一般來說，工業催化劑是一種多相化學反應過程，要求催化劑具有適宜的活性、高選擇性和長的壽命，讓同學們對工業催化劑有更加直觀的了解。工業催化劑種類眾多，制備方法各異，并且工業催化劑一般裝填量巨大，因此給同學們介紹工業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，固體經過干燥、煅燒和還原后制得負載型催化劑。固體催化劑最終都是以一定形態和尺寸在反應器中使用，這是為了使氣體通過床層時不至于產生過大的壓降，使氣液在催化劑床層分布均勻。此外，工業催化劑還需承受搬運、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械強度，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制造粒成型，自給造粒成型包括滾動成球、噴動床成球等。強制造粒成型有壓片、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，還需經過煅燒活化才能填入反應器中使用。煅燒是通過熱分解除掉易揮發組分而保留一定的化學組成，煅燒可以控制催化劑晶型、晶粒大小、孔隙結構和比表面積，同時提高催化劑的機械強度。為了形成催化反應所需的活性結構，催化劑一般還需進行活化處理，活化是將催化劑由鈍態轉變為活潑態催化劑的過程。通常可采用還原、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器外進行，也可以直接在反應器中進行。

在之后的章節中，當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，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催化上的重要應用。第三章無機化工產品典型生產工藝中，我們會介紹工業上甲烷水蒸氣催化轉化制合成氣催化劑的制備，包括載體的選擇、Ni擔載量的選擇、助劑的選擇、擔體表面改性的影響等。在氨的合成章節中，我們將詳細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，通電后依靠物質的導電性及自身電阻，使混合物通電發熱熔融，隨后把高溫熔漿迅速置入冷卻槽內，冷卻至室溫后凝結成黑色堅硬固體，經粉碎、篩取一定粒度的催化劑，就可以得到合成氨熔鐵催化劑。第四章基本有機化工產品典型生產工藝第4.3節，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，測試單位質量載體的吸水量，以活性組分擔載量為依據，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.理論教學方法的改革。化學工藝學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，若采用傳統的用粉筆板書的形式在黑板上畫工藝流程度，不僅費時費力，而且授課過程枯燥，不利于學生理解。因此在教學中，我們采用多媒體教學，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場照片、二維動畫、三維動話等多種教學形式的改進。教學手段的多樣化是提高教學效果的重要途徑，采用該教學方式擴大了教學信息量，使學生對化工典型產品工藝流程有總體的、深刻的認識，激發學生學習的興趣和熱情。

三、實踐教學環節的探索

雖然石河子大學化學工藝學這門課沒有安排實踐教學內容，但本校有多臺大型專業實驗設備，在理論課教學結束后，我們組織學生參觀專業實驗室，通過教師現場演示，使同學們了解小裝置工藝流程和主要設備。我校目前現有的相關專業實驗裝置有：乙苯脫氫制苯乙烯，催化裂化裝置，原油實沸點蒸餾儀，固定床催化加氫裝置等。如在講授催化裂化設備時，我們以流化床催化裂化裝置為例，介紹裝置的主要設備：流化床反應器，再生器，加熱爐，分餾塔。通過運行裝置，使同學們加深對催化裂化工藝流程及參數的理解。在講授乙苯脫氫制苯乙烯時，我們會結合乙苯脫氫實驗裝置，給同學們介紹反應溫度、壓力對苯乙烯轉化率的影響。教材中雖然沒有介紹苯乙烯轉化率的計算，但我們將根據裝置自帶的氣相色譜分析儀，講述苯乙烯轉化率的計算方法。通過一系列實踐教學改革，培養同學們對所學專業知識綜合理解能力和應用實踐能力，培養學生運用所學的化工專業知識，獨立分析和解決化工生產中實際問題的能力。

四、結語

綜上所述，改革后的《化學工藝學》課程在理論教學中引入了工業催化知識，以典型化工產品生產工藝為主線，課程以講授為主，同時綜合運用多媒體教學手段和“啟發與互動式”等教學方法，將專業實驗儀器作為實踐性教學的重要組成部分引入到理論課教學中，使同學們深入理解化學加工過程的基本原理、工藝參數、流程組織、環境影響等，充分調動化工專業學生學習的積極性，培養學生運用化學工程與工藝基本原理解決實際生產問題的能力，收獲了可觀的教學效果。

參考文獻：

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