“双碳”形势下化工工艺课程教学探索与实践.pdf

2023 年 第 16 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 498 期 193 “双碳”形势下化工工艺课程教学探索与实践“双碳”形势下化工工艺课程教学探索与实践 姜红*，陈日志，孙林兵，刘晓勤(南京工业大学 化工学院，江苏 南京 211816)摘 要化工工艺是化学工程类本科生的一门专业基础课。面对“双碳”新形势，与之相匹配的课程教学面临新挑战。将“双碳”理念融入化工工艺的课程教学，从课堂教学、思政教育和学科竞赛三方面探讨了化工工艺课程教学实践的举措，优化了教学过程，提高了教学质量，以期为具有创新精神和实践能力的高素质“双碳”人才的培养奠定基础。关键词化工工艺；双碳；课堂教学；实践教学；教学方法 中图分类号G642 文献标识码B 文章编号1007-1865(2023)16-0193-02 Education Exploration and Practice of Chemical Technology under the Background of“Double Carbon”Jiang Hong*,Chen Rizhi,Sun Linbing,Liu Xiaoqin(College of Chemical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)Abstract:Chemical technology is a professional basic course for undergraduates majoring in chemical engineering.The course teaching is facing new challenges under the new situation of“double carbon”.The concept of“double carbon”is integrated into the course teaching of chemical engineering.The measures of curriculum teaching practice from three aspects of class teaching,ideological and political education and academic competitions are proposed to optimize the teaching process and improve the teaching quality,and thus expecting to contribute to the cultivation of high-quality“double carbon”talents with innovative and practical abilities.Keywords:chemical technology；double carbon；class teaching；practice teaching；teaching method “双碳”，即碳达峰与碳中和的简称。具体而言，碳达峰指二氧化碳排放量在某一时点增长至峰值，之后逐步降低。碳中和指企业、团体或个人测算一段时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过一些自然或人为手段抵消掉，实现二氧化碳“零排放”。自 2020 年 9 月，在第七十五届联合国大会一般性辩论上，中国明确提出我国要在 2030 年和 2060 年分别实现碳达峰和碳中和目标之后，我国进入了“双碳”新时代。践行“双碳”目标，是实现中国经济可持续发展的必由之路，是加快生态文明建设的重要抓手，是一场广泛而深刻的变革，是构建人类命运共同体的中国实践。高校是人才培养的主阵地，应将课程内涵与“双碳”理念融合，为“双碳”战略目标的实现提供强有力的科技支撑和人才保障。化工工艺是化学工程与工艺专业的一门专业主干课程，旨在通过典型化工产品生产工艺的讲解，帮助学生初步掌握化工工艺过程开发的基本思路，培养学生将专业知识与工程实践贯通的综合能力，提升学生分析和解决实际化工过程问题的能力1。在“双碳”新形势下，化工工艺课程的教学必须与时俱进，推进“双碳”理念的传播，弘扬绿色低碳文化，强化青年学生绿色低碳意识。如何把“双碳”理念融合于化工工艺学课程的教学过程中，引领带动加强“双碳”人才培养，是化工教育工作者面临的新挑战。在化工工艺的教学中，本教学团队从课堂学习、思政教育和学科竞赛三方面进行了深入思考和初步实践。1 课堂教学课堂教学 中国化工行业产能占全球约 40%，高居世界第一，且短期内或仍处于扩增产能的高速发展阶段。2021 年，我国二氧化碳排放总量超过 115.23 亿吨，其中，化工全行业碳排放占全国总量的 13%。作为碳排放大户，“双碳”目标下化工行业“减碳零碳负碳”转型迫切，根本之道是从化工工艺入手，实现二氧化碳的减排、捕集和资源化利用。本团队在编写 化学工艺学 教材时将绿色低碳要求融入其中，在重视典型化工产品的工艺路线、反应原理、影响因素、工艺条件、工艺流程、核心设备结构等基础知识的同时，突出了技术经济指标、能量回收利用、三废处理等“双碳”知识。尤其是教材的最后一章“绿色化学化工概论”，系统介绍了绿色化学化工的定义及特点、评价指标以及实现途径，并以具体的应用实例体现绿色化学化工在生产中的重要性。随着新工艺、新技术和新方法的不断涌现，绿色低碳技术成果显著，教材也在同步进行修订，增加了相关工艺与设备的开发、设计及工艺优化等最新成果，删除了部分淘汰的工艺及更新了化工生产的相关数据。自 2010 年 5 月第一版作为普通高等教育“十一五”国家级规划教材出版以来，历经 2 次修订，第三版于2021 年 6 月出版2。该教材被纳入“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，曾获 2012 年度中国石油与化学工业优秀教材一等奖，已被全国 30 余所高等院校使用3-4。在教学过程中贯穿绿色低碳理念，重点讲解传统成熟的生产工艺的同时，介绍与课程相关的绿色低碳新工艺、新技术和科研成果，开拓学生的知识面，培养学生良好的环保和责任意识。例如，在第一章“概论”中，从世界及我国能源结构角度，引出化工原料、产品及其工艺相关知识，重点讲解了石油、天然气和煤及其加工工艺，进而引出“双碳”战略及清洁能源体系建立，让学生了解了“双碳”的基本概念、发展的背景和意义，正确认识和把握“双碳”目标，为后续章节的讲解奠下基调。在“氨”和“甲醇”两节授课中，除了充分讲解合成反应的化学平衡、反应动力学、催化剂、工艺条件、工艺流程及设备结构与选型之外，结合上一章以气态和液态烃类(天然气、石脑油)或者固体原料(煤或焦炭等)为原料制合成气的过程以及合成气的净化过程，引导学生思考如何减少制氢过程中大量的二氧化碳排放，讲解了目前有前景的低碳排放技术，如电解水制氢-合成氨耦合技术，电催化氮气直接转化合成氨技术、太阳能、风能等可再生能源分解水制氢-甲醇耦合技术。在讲授“烯烃为原料的化学品”一章中，讲解了环氧乙烷的传统生产方法氯醇法，是通过次氯酸化反应和氯乙醇的皂化(环化)反应两步制得，该法不仅需要消耗大量的石灰和氯气，且排出大量的氯化钙废水，易造成设备腐蚀、环境污染严重。进一步介绍了由于银催化剂的出现而发展起来的乙烯直接氧化一步制环氧乙烷工艺，该法的原子经济性显著提升，过程简单，产品纯度高，无腐蚀，废热可综合利用，但是由于乙烯完全氧化使其产生大量碳排放。课程中引入研究者采用电催化技术在“无收稿日期 2023-03-12 基金项目 江苏高校品牌专业建设工程二期项目(序号 133)；南京工业大学一流课程建设项目 作者简介 姜红(1985-)，女，江苏盐城人，副研究员，博士，主要研究方向为化工工艺的教学研究。*为通讯作者。广 东 化 工 2023 年 第 16 期 194 第 50 卷 总第 498 期 碳排放”及“碳减排”条件下高效制备环氧乙烷技术的相关进展。我们在课堂教学中改变教师“一言堂”的模式，增加了互动教学内容。授课过程中采用启发式教学，让学生发现在绿色低碳形势下化工工艺是否存在改进的空间，分析并查阅相关资料解决问题，体会到绿色低碳发展的重要性和意义。如在“石油炼制”一章内容的授课中，讲授化石原油的催化催化裂化和催化重整过程中，启发学生是否能从原料或者热量入手改进相关工艺减少碳的排放。鼓励学生积极思考，结合“双碳”背景，分组查阅一些前沿新技术，如生物质油与化石原油共炼技术、低温热利用技术以及碳捕集技术等，包括生产原理、流程组织、核心设备、工艺条件等内容，学生之间既有分工又有合作，每人撰写调研报告，组长进行 PPT 演讲，汇报后教师引导全班学生对此选题进行共同讨论交流发言，充分尊重每位学生的观点，并适时引导，进一步分析，最后进行技术的总结。通过这样的开放型教学模式，将“双碳”理念有机融入课堂教育，激发了学生的学习动机，调动了学生的主动性，营造了热烈的课堂氛围。2 思政教育思政教育 化工工艺是一门与国际形势、国家战略、行业发展密切相关的课程。充分挖掘课程思政元素，将科技进步和科学精神贯穿本课程教学的整个过程中，培养学生创新思维、严谨求实、追求卓越的工匠精神，激发学生的家国情怀和奋发图强的民族精神5。依据教学内容，我们收集整理了人物事迹纪录片、演讲视频、人物传记等资料，适时加入教学内容中去，实现思政与育人的有机结合。如以我校时钧先生“一生执教兴国，半世甘为人梯”的事迹为例，向学生宣扬“忠党爱国，淡泊坚韧，求实惟先，扶掖后学”的时钧精神。时钧先生是我国化工高等教育一代宗师，中国科学院资深院士，长期从事化学工程教学和科研工作，孜孜以求地从事化工热力学、传质分离及膜科学与技术等领域的研究。他早年毕业于清华大学，后赴美留学，在中国最苦难的时刻回到了祖国任教，主讲化工类多门专业课程，先后创建了新中国第一个水泥专业、化学工程专业，后有对化工热力学和无机膜等方面进行刻苦研究，均取得了重大的成就。在异常艰难的逆境中的时钧先生兢兢业业，昂首执教67 年，留下了 4500 万字传世佳作。一生诲人不倦，亲手培养了大批高水平科技人才，其中两院院士 16 位，获国家最高科学技术奖 2 位。90 岁高龄如愿加入中国共产党。捐资设立“时钧奖学金”用于奖教助学，激励青年学生开拓创新、锐意进取，勇担科技强国重任。授课中介绍民族化学工业发展大事件，增强学生对民族化学工业发展的责任感。如在讲授“石油炼制”一章时，引入闵恩泽院士的事迹。闵恩泽院士是我国炼油催化应用科学的奠基者、石油化工技术自主创新的先行者、绿色化学的开拓者，毕生都在为石油炼制催化剂制造技术而奋斗。20 世纪 50 年代，中国的炼油厂是由前苏联援建，60 年代初前苏联断供了一种用于生产航空汽油的催化剂，而我国在炼油技术上几乎为空白，闵恩泽院士通过技术创新，打破封锁，试生产出我国的小球硅铝裂化催化剂，小球的完整率达到 92%，超过了进口催化剂 86%的水平，及时保障了我国航空汽油的生产。至今，我国油品经过几次升级换代，从含铅汽油到无铅汽油再到清洁燃料，从一片空白到跻身国际先列，闵恩泽院士奠定的催化剂制造技术都起到了关键作用。此外，化工工艺涉及三废排放与治理、资源与能源使用、安全与环保等重大工程伦理问题，融入化工工程伦理教育，培养学生的职业道德、安全与环保意识，引导学生具有正确的专业伦理必不可少。如以“合成氨”一节为例，费里茨哈伯创造性地发明了合成氨工艺，使得氮肥得以批量化生产，“从空气中制造了粮食”，解决了亿万人的吃饭难题。但这项技术也可以“从空气中制造炸弹”，引发大战。哈伯在利益的趋势下，用合成氨生产的氨气制造炸药，第一次世界大战中导致数千万人丧失生命，还从事光气和芥子气等生化武器的研究，导致数百万人死亡、中毒或伤残。3 学科竞赛学科竞赛 育人一方面是传授理论，另一方面是实践和理论结合真正解决问题。利用好国家级和省级化工类学科竞赛等赛事活动平台，把比赛作为响应“3060双碳”目标的重要抓手，充分挖掘和发挥学生群体在“双碳