“化学反应工程”课程思政教学设计——以气固催化反应为例

符开云 刘 清 汤吉海 夏 铭 周浩力

(南京工业大学 化工学院,江苏 南京 211816)

“化学反应工程”是大学本科化学工程与工艺专业的核心主干课程之一。课程的主要任务是讲授如何将化学反应在工业上安全、高效、绿色、节能地实现。研究内容包括化学反应与传递过程相互耦合的宏观反应过程,反应器内组成、温度和压力的变化规律,反应器体积设计、操作条件与结构优化以及动态操作控制等。通过本课程的学习,学生要掌握反应工程的基本概念,培养设计工业反应器的工程思维,初步具备分析和解决复杂工程问题的能力。

“化学反应工程”具有概念多、数学模型多、公式推导和计算困难等特点,理论性、实践性和综合性强,是一门公认的学生难学、老师难教的课程。很多学生在学习过程中,无法找出核心知识点,不能与生活中的案例进行关联,更不能把零散的知识点联系起来解决实际问题。学生面对枯燥繁杂的设计方程公式、复杂的推导过程,会感到乏力,很快就失去了对课程学习的兴趣。近年来,新工科建设对人才培养提出了更高的要求[1]。“化学反应工程”课程的教学内容设计要将课程学习、案例教学和思政元素有机结合,在教学目标、实施方案、教学方法和效果评价等方面进行教学改革与创新,才能培养出符合当今社会发展需求的学生[2]。

气固催化反应在工业生产中占有举足轻重的地位。因此气固催化反应动力学和反应器设计是大多数反应工程教材的重点章节。工业气固催化过程非常复杂,是化学反应与流动及热质传递等多因素相耦合的宏观反应过程,需要充分考虑安全、低碳、经济和智能控制等工程和环保因素,可作为“化学反应工程”课程综合性和复杂性的一个缩影[3]。作者以气固催化中的化学反应与传递现象为例,介绍融入案例教学与思政元素的课程教学内容设计,培养学生工程创新思维,提升学生分析和解决复杂工程问题的能力。

1 气固催化反应教学内容设计背景

1.1 教学内容和目标

气固催化的宏观反应速率是设计和操作催化反应器的重要依据。在气固催化过程中,由于内外扩散的影响,催化剂颗粒内外浓度和温度呈现非均匀分布,导致了催化剂内各处的反应速率并不相同。宏观反应速率不仅与催化反应体系的本征反应速率有关,还与传质、传热速率有关。确定宏观反应速率与本征反应速率之间的关系,并提出减小传递现象对催化反应的合理措施,对实现高效催化具有重要意义。

学生通过该部分知识点的学习,在“理解”层面学生需要熟悉气固催化反应过程的各步骤及相互关系以及反应与传递相耦合的概念;在“应用”层面需要锻炼从工程角度分析催化剂参数对催化性能的影响以及如何“多快好省”提高催化剂效率的能力;在“研究”层面需要学生了解催化剂研发技术的发展方向和挑战;在“思政”层面需要学生从中得到启发,正确认识外界和内在因素会影响个人自身发展,提升学习激情,学会自我管理,使个人潜能得到最大发挥。

1.2 学生情况分析

课程的学习对象是化学工程与工艺专业大三的学生。这些学生已经学习了“高等数学”“物理化学”“化工原理”“化工热力学”和“传递过程”等课程,能理解气固催化反应进行的过程,了解化学反应动力学、物料衡算式和热量衡算式设计方程的建立。经过大二的认识实习环节进入工厂,对工业反应器有了一定的感官认识。

目前“00后”大学生在信息发达的互联网时代生活和学习,能很方便地从互联网上搜索到很多化学工业的元素。在新工科建设引领下,“00后”大学生逐步了解并学会使用先进的化工相关模拟软件,如Aspen Plus、Matlab和Comosl Multiphysics等,对反应过程进行建模、数值求解和参数分析[4]。学生在计算机软件的辅助下可以更好地将学习重点回归到化学反应工程课程本身,即主要培养分析和解决工业反应器问题的能力,而不必花费太多时间和精力在枯燥繁杂的公式推导和关联式计算上。

2 思政元素融入的气固催化反应教学内容设计

2.1 概念引入,多形式展示,化抽象为直观

固体催化剂能改变化学反应速率,在现代化学工程中起着关键作用。气固催化反应过程会经历七个步骤:(1)反应物从主体相扩散到催化剂外表面;(2)反应物从催化剂外表面向内表面扩散;(3)反应物吸附在催化剂表面;(4)吸附态的反应物生成吸附态的产物;(5)吸附态的产物从催化剂表面脱落;(6)产物从催化剂孔内向孔外扩散;(7)产物从催化剂外表面向主体相扩散。

在讲解气固催化过程中反应与传递现象时,可以借助多媒体教学方法,如通过直观的图片、动画和视频等形式将各个步骤展示出来,化抽象为直观,这既可以让学生更易于理解也能缩短讲解时间。在讲解七个步骤的关联时,可以通过阻力串、并联示意图的方式加以解释。内扩散和表面反应同步进行,属于并联的关系,而外扩散步骤与催化剂内的表面反应及内扩散步骤属于串联关系。

2.2 引入案例教学,融入思政元素,升华课程内容

由教学内容可知,影响气固催化反应速率的因素包括反应过程和传递过程。在讲解催化剂结构参数对催化过程的宏观反应速率的影响时,可以采用催化领域的最新研究进展和生活中常见的案例予以阐述,以便让学生更好理解气固催化反应过程和可采取的有效措施,并激发学生深入学习的兴趣。下面以“单原子催化”和“面向汽车尾气净化的蜂窝型催化剂”为例,分别阐述如何提高本征反应速率和如何降低传递过程的影响。

案例一:开发单原子催化剂,提高原子利用效率

固体催化剂通常由活性组分、助催化剂和载体三部分构成。活性组分和助催化剂分布在载体上。在气固催化中,反应物与催化剂之间的相互作用发生在固体表面的活性位点上。一般来说,活性组分颗粒尺寸越小,与载体间相互作用越强,所制得催化剂的催化活性越高。然而活性组分在高温制备和反应过程中易发生颗粒团聚和烧结,改变微观组成和结构,使活性组分比表面积降低,从而严重影响了催化剂的反应活性与稳定性。因此,如何提高活性组分的分散程度和原子利用率一直是催化剂领域的核心问题之一。

“单原子催化剂”是由中科院大连化物所张涛团队与清华大学教授李隽、美国亚利桑那州立大学刘景月教授在2011年首次报道Pt1/FeOx单原子催化剂时提出的[5]。将活性组分高度分散,当分散到极限时即为单原子催化剂。单原子催化剂具有高活性、最大化的原子利用率和最小化的催化剂用量等优点,迅速成为催化领域的研究前沿。如贵金属催化剂具有较高的活性,耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优良特性,在很多种催化反应中都不可替代。目前约有一半的催化反应会用到贵金属催化剂。提高贵金属的原子利用率对增强工艺过程的经济性及产品竞争力,具有十分重要的积极意义。单原子催化的提出和发展有助于促进我国催化行业由“高能耗、高污染、高投入”的粗放型生产模式向“资源节约、环境友好、高端智能”的新模式转变,从而达到提高效率、减少污染和降低成本的目的,助力“双碳”战略的落地。

从个人发展来说,勤奋、努力就是成功的催化剂,但人时常会产生迷茫和困惑,耗费精力,只有学会自我管理,找准努力方向,改进做事方法,才能让自己在有限的时间和精力里使付出得到最大的回报。从社会层面来说,人才是最宝贵的财富,用人如不能以德为先、任人唯贤,选拔人才到合适的岗位为人民服务,便会造成人才的埋没和资源的浪费。

案例二:面向汽车尾气净化的蜂窝型催化剂

汽车是目前人们的主要交通方式之一,让出行更便捷。我国汽车保有量已经全世界第一,但汽车尾气中含有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)等有害气体,直接排放将造成严重的环境污染。随着环保意识的日益提高,“绿水青山就是金山银山”的理念逐渐深入人心,对汽车尾气的排放标准越发严格。采用铂、钯、铑等贵金属催化剂,将废气中的CO、HC和NOx氧化还原为无害的H2O、CO2和N2,可显著降低污染。在践行“绿水青山就是金山银山”和“双碳”战略的发展理念下,如何在小体积、便携式的汽车尾气净化器中高效、节能、环保地实现废气的净化,面临着极大地挑战。

由教学内容可知,在气固催化反应中,内、外扩散会影响组分的浓度分布,因此传递性能对气固催化的反应速率影响很大。当催化剂活性很高时,反应组分与催化剂之间的质量和热量传递过程就变为重要因素,甚至成为速率控制步骤。因此,传递过程强化对提升催化性能至关重要。传统的催化剂常被制备为尺寸不等的颗粒状。然而催化剂颗粒过小会极大增大床层压降,过大又会导致内扩散阻力显著增大,引起催化剂活性组分利用率低或高温烧结现象。结构化催化剂的提出为解决传递过程强化提供了新的思路。

目前,面向汽车尾气净化的催化剂由载体骨架和表面的活性涂层组成,常被制备成蜂窝式结构,具备体积小、气阻低、比表面积大、冲击韧性高、耐热性好、金属催化剂活力镀层薄等优势[6]。蜂窝式催化剂的内部通道直径为0.001～0.01 m,通道密度为20～2 000 cpsi (cells per square inch),能有效缩短物质和热量的内扩散距离、提高传递性能和减小流动阻力。这使得汽车尾气净化能集成在一个便携的、可安装在汽车底部的小盒内完成,而且能提高贵金属活性涂层的利用率。

如同传递现象阻碍了催化剂发挥其最大潜能一样,一个人在学习和生活中,也会受很多内在和外部因素的影响,无法发挥最大潜能。如经常的自我否定容易将自己限定在一个狭小的精神角落,畏首畏尾,不敢更好地展现自我。心理“舒适区”也会影响个人潜能的发挥。个人总喜欢按照自己的习惯去做事、做自己熟悉的事。然而沉溺于“舒适区”的人,容易不思进取、故步自封,不敢做大胆的创新。不和谐的社会关系、不公平的竞争环境、不合理的激励机制等外在因素,也会使人们向现实低头、向困难妥协、对未来不抱希望。因此,在教学过程中,老师要多启发学生的思维,引导和鼓励学生修身养性、攻坚克难、砥砺前行,努力提高文化素养和家国情怀。

3 结论

“化学反应工程”是一门难教、难学,也是具有丰富内涵和利于培养创造思维的课程。本文以“气固催化中的反应与传递现象”为教学内容,通过引入催化前沿技术“单原子催化剂”和日常生活中的“汽车尾气催化净化”两个案例进行教学,提高学生的学习兴趣和效率,并融入思政元素,突出化工催化过程要向高端化、绿色化和智能化转型的发展理念。力求让学生通过课程学习能在“理解”“应用”“研究”和“思政”四个层面得到收获。