乙醇脫水制乙烯實驗教學改革

陳治平，周文武，李昕玥，賀新福，柳娜(西安科技大學化學與化工學院，陜西 西安 710054)

0 引言

為滿足我國戰略性新興產業發展對高素質人才的迫切需求，我國于2010年批準將能源化學工程專業設立為本科新專業[1-2]。

西安科技大學于2011年申請開設“能源化學工程”本科專業，2012年獲批并于同年開始本科招生。結合西部地區經濟發展，基于化學與化工學院“陜西省能源化工人才培養基地”和陜西省“人才培養模式創新實驗區”建設需求，西安科技大學能源化學工程專業辦學圍繞煤焦油加工、C1化工、石油加工、新能源和能源清潔轉化等方向，培養能夠在能源化工領域從事科學研究、工程設計、技術開發、生產經營與管理的應用型高級工程技術人才和和創新型人才。為提高學生在能源化工領域的實驗技術、技能和實踐能力，西安科技大學能源化學工程專業開設了基于煤焦油、石油、C1等高效轉化制化學品的專業實驗。

乙烯是非常重要的化工原料，其產量是衡量一個國家化工發展水平的重要標志[3-5]。乙烯主要通過石油的裂解進行生產，由于中國“相對富煤、缺油、少氣”的能源結構，開發非石油路徑生產乙烯等低碳烯烴產品對我國應對石油短缺和能源安全具有重要的戰略意義[6-7]。乙醇脫水制乙烯是非石油路徑生產乙烯的有效途徑之一[8-9]，因此能源化學工程專業開設了“乙醇脫水制乙烯實驗(如圖1所示)”[10-11]，該實驗包含催化劑評價和反應產物分析等內容，能一定程度地培養學生運用所學的知識和實驗技能分析、解決實際問題的能力，但是作為專業綜合實驗，該實驗的創新性和深度有待進一步加強，為此我們擬對該實驗進行教學改革探索。

圖1 乙醇脫水制乙烯流程圖

1 增加催化劑制備環節，激發學生學習興趣

催化劑是能源化工技術的核心，絕大多數的能源化工生產均需使用催化劑。為了提升“乙醇脫水制乙烯實驗”的創新性和趣味性，擬增加催化材料和催化劑制備環節。乙醇脫水催化劑主要有氧化鋁催化劑[12-13]、分子篩催化劑[14-15]。其中分子篩催化劑具有催化反應溫度低、空速高、催化轉化率和選擇性高，可使用低濃度乙醇的優點，近年來成為研究熱點。分子篩催化劑中，ZSM-5分子篩由于具有親油疏水的性質，在脫水方面比較有優勢[16-17]，本實驗選擇ZSM-5分子篩作為催化劑。實驗前期對學生進行分組，4～5人一組，通過查閱文獻、了解ZSM-5分子篩催化乙醇脫水的影響因素，根據文獻總結，自己利用化學藥品制備所需硅鋁比、孔結構和酸性的ZSM-5分子篩。ZSM-5分子篩合成以后，使用壓片機對ZSM-5分子篩進行壓片、破碎、篩分得到20～40目的ZSM-5分子篩催化劑備用。

2 增加動力學實驗

最初開設的“乙醇脫水制乙烯實驗”只需要進行催化劑評價和產物分析，實驗深度不足、為了提高實驗深度，擬增加動力學實驗，要求學生在不同的反應溫度條件下做多組實驗，依據相應實驗數據，建立乙醇脫水制乙烯反應動力學模型，求取動力學參數，在培養學生動手能力的同時，進一步加強物理化學、化學反應工程等課程知識的理解和應用，掌握獲取反應動力學實驗數據的方法和手段，學會動力學實驗數據的處理和反應動力學參數的求取。

3 增加模擬計算環節

為了進一步提升“乙醇脫水制乙烯實驗”實驗的深度和培養學生利用所學的基礎知識解決實際問題的能力，本實驗擬增加模擬計算環節。具體實施如下，在學生完成本實驗數據處理以后，以實驗數據為依據，要求使用Aspen Plus軟件對該實驗過程進行模擬。在模擬過程當中，要求建立所需要的單元操作模塊，如混合器、換熱器、反應器、閃蒸罐、分離塔等，單程轉化率使用實驗數據結果，模擬流程自擬，反應器操作參數使用實驗數據，其他操作參數通過查閱相關數據手冊和Aspen Plus物性數據庫獲取，通過模擬最終得到相應物流信息。模擬計算環節不僅能夠加深“乙醇脫水制乙烯實驗”深度，還使學生進一步熟悉化工模擬軟件的使用，同時對《化工過程分析與合成》課程中化工過程穩態模擬與分析的序貫模塊法有更深入的了解和實際應用，不僅能夠提高實驗的深度，同時也把其他理論課程的理論、方法進行實踐，可以取得一舉兩得的效果。

4 改革實驗報告評分標準

“乙醇脫水制乙烯實驗”評分主要包括實驗表現和實驗報告兩部分，進行教學改革以后，催化劑制備環節、動力學實驗環節和模擬計算環節也需要體現到最終的實驗成績之中，這樣不僅能夠提高學生的實驗熱情、也能體現出每一個實驗環節的重要性，為此，我們擬將每一個環節都考慮進入實驗得分當中，以此提高每位同學的積極性。

5 結語

能源化學工程專業“乙醇脫水制乙烯實驗”教學改革順應“一流專業”建設需求，契合我國工程教育認證標準要求，特別是在培養學生自主學習和終身學習意識、培養學生團隊協作能力、培養學生利用所學的基礎理論知識解決實際問題的能力等方面能夠具有較好的作用。

“乙醇脫水制乙烯實驗”教學改革的開展，可以使實驗的創新性和深度明顯得到提高，較好的提升學生做實驗的興趣，學生在查閱文獻資料，制定實驗方案，動手能力和化工流程模擬等方面也能得到訓練，有利于將來學生畢業設計(論文)工作以及畢業以后進行科學研究、工程設計、技術開發等的開展。“乙醇脫水制乙烯實驗”教學改革探索可以促進實驗教學水平的提高，能為本專業其他綜合實驗的改革提供參考和案例。