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

0 引言

為滿足我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展對高素質(zhì)人才的迫切需求，我國于2010年批準(zhǔn)將能源化學(xué)工程專業(yè)設(shè)立為本科新專業(yè)[1-2]。

西安科技大學(xué)于2011年申請開設(shè)“能源化學(xué)工程”本科專業(yè)，2012年獲批并于同年開始本科招生。結(jié)合西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，基于化學(xué)與化工學(xué)院“陜西省能源化工人才培養(yǎng)基地”和陜西省“人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)”建設(shè)需求，西安科技大學(xué)能源化學(xué)工程專業(yè)辦學(xué)圍繞煤焦油加工、C1化工、石油加工、新能源和能源清潔轉(zhuǎn)化等方向，培養(yǎng)能夠在能源化工領(lǐng)域從事科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)營與管理的應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才和和創(chuàng)新型人才。為提高學(xué)生在能源化工領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、技能和實(shí)踐能力，西安科技大學(xué)能源化學(xué)工程專業(yè)開設(shè)了基于煤焦油、石油、C1等高效轉(zhuǎn)化制化學(xué)品的專業(yè)實(shí)驗(yàn)。

乙烯是非常重要的化工原料，其產(chǎn)量是衡量一個(gè)國家化工發(fā)展水平的重要標(biāo)志[3-5]。乙烯主要通過石油的裂解進(jìn)行生產(chǎn)，由于中國“相對富煤、缺油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)非石油路徑生產(chǎn)乙烯等低碳烯烴產(chǎn)品對我國應(yīng)對石油短缺和能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義[6-7]。乙醇脫水制乙烯是非石油路徑生產(chǎn)乙烯的有效途徑之一[8-9]，因此能源化學(xué)工程專業(yè)開設(shè)了“乙醇脫水制乙烯實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)”[10-11]，該實(shí)驗(yàn)包含催化劑評價(jià)和反應(yīng)產(chǎn)物分析等內(nèi)容，能一定程度地培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識和實(shí)驗(yàn)技能分析、解決實(shí)際問題的能力，但是作為專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性和深度有待進(jìn)一步加強(qiáng)，為此我們擬對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)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(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

催化劑是能源化工技術(shù)的核心，絕大多數(shù)的能源化工生產(chǎn)均需使用催化劑。為了提升“乙醇脫水制乙烯實(shí)驗(yàn)”的創(chuàng)新性和趣味性，擬增加催化材料和催化劑制備環(huán)節(jié)。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(yīng)溫度低、空速高、催化轉(zhuǎn)化率和選擇性高，可使用低濃度乙醇的優(yōu)點(diǎn)，近年來成為研究熱點(diǎn)。分子篩催化劑中，ZSM-5分子篩由于具有親油疏水的性質(zhì)，在脫水方面比較有優(yōu)勢[16-17]，本實(shí)驗(yàn)選擇ZSM-5分子篩作為催化劑。實(shí)驗(yàn)前期對學(xué)生進(jìn)行分組，4～5人一組，通過查閱文獻(xiàn)、了解ZSM-5分子篩催化乙醇脫水的影響因素，根據(jù)文獻(xiàn)總結(jié)，自己利用化學(xué)藥品制備所需硅鋁比、孔結(jié)構(gòu)和酸性的ZSM-5分子篩。ZSM-5分子篩合成以后，使用壓片機(jī)對ZSM-5分子篩進(jìn)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(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

最初開設(shè)的“乙醇脫水制乙烯實(shí)驗(yàn)”只需要進(jìn)行催化劑評價(jià)和產(chǎn)物分析，實(shí)驗(yàn)深度不足、為了提高實(shí)驗(yàn)深度，擬增加動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在不同的反應(yīng)溫度條件下做多組實(shí)驗(yàn)，依據(jù)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立乙醇脫水制乙烯反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，求取動(dòng)力學(xué)參數(shù)，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)物理化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程等課程知識的理解和應(yīng)用，掌握獲取反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法和手段，學(xué)會動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求取。

3 增加模擬計(jì)算環(huán)節(jié)

為了進(jìn)一步提升“乙醇脫水制乙烯實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)的深度和培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)的基礎(chǔ)知識解決實(shí)際問題的能力，本實(shí)驗(yàn)擬增加模擬計(jì)算環(huán)節(jié)。具體實(shí)施如下，在學(xué)生完成本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理以后，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，要求使用Aspen Plus軟件對該實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行模擬。在模擬過程當(dāng)中，要求建立所需要的單元操作模塊，如混合器、換熱器、反應(yīng)器、閃蒸罐、分離塔等，單程轉(zhuǎn)化率使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，模擬流程自擬，反應(yīng)器操作參數(shù)使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其他操作參數(shù)通過查閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊和Aspen Plus物性數(shù)據(jù)庫獲取，通過模擬最終得到相應(yīng)物流信息。模擬計(jì)算環(huán)節(jié)不僅能夠加深“乙醇脫水制乙烯實(shí)驗(yàn)”深度，還使學(xué)生進(jìn)一步熟悉化工模擬軟件的使用，同時(shí)對《化工過程分析與合成》課程中化工過程穩(wěn)態(tài)模擬與分析的序貫?zāi)K法有更深入的了解和實(shí)際應(yīng)用，不僅能夠提高實(shí)驗(yàn)的深度，同時(shí)也把其他理論課程的理論、方法進(jìn)行實(shí)踐，可以取得一舉兩得的效果。

4 改革實(shí)驗(yàn)報(bào)告評分標(biāo)準(zhǔn)

“乙醇脫水制乙烯實(shí)驗(yàn)”評分主要包括實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分，進(jìn)行教學(xué)改革以后，催化劑制備環(huán)節(jié)、動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和模擬計(jì)算環(huán)節(jié)也需要體現(xiàn)到最終的實(shí)驗(yàn)成績之中，這樣不僅能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情、也能體現(xiàn)出每一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要性，為此，我們擬將每一個(gè)環(huán)節(jié)都考慮進(jìn)入實(shí)驗(yàn)得分當(dāng)中，以此提高每位同學(xué)的積極性。

5 結(jié)語

能源化學(xué)工程專業(yè)“乙醇脫水制乙烯實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革順應(yīng)“一流專業(yè)”建設(shè)需求，契合我國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是在培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)意識、培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識解決實(shí)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(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革的開展，可以使實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性和深度明顯得到提高，較好的提升學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，學(xué)生在查閱文獻(xiàn)資料，制定實(shí)驗(yàn)方案，動(dòng)手能力和化工流程模擬等方面也能得到訓(xùn)練，有利于將來學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作以及畢業(yè)以后進(jìn)行科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)等的開展?！耙掖济撍埔蚁?shí)驗(yàn)”教學(xué)改革探索可以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高，能為本專業(yè)其他綜合實(shí)驗(yàn)的改革提供參考和案例。