《合成氨生产工艺》课程教学改革初探_合成氨生产工艺

　　合成氨生产是典型的化工工艺生产过程，反映了现代化工工艺的先进性和复杂性，具有相当强的代表性。《合成氨生产工艺》课程是技工院校化工工艺专业重要的主干专业课程之一。该课程重点介绍了大、中、小型合成氨厂生产合成氨的各种方法，阐述了合成氨生产过程中各工段的基本原理、工艺条件、工艺流程、主要设备、生产控制指标计算和生产操作方法。该课程从加强工艺基础理论出发，分析其工艺特点，从热力学、动力学和技术经济的角度，分析和讨论各参数对反应的影响，以及工艺条件的确定和反应设备的选择。同时，该课程还介绍了不同路线和流程的经济技术指标、能量的回收利用以及副产物综合利用等工艺问题，从而加强了学生处理生产实际问题以及工艺研究开发、技术经济评价方面的工作能力的培养，使学生能够分析和解决实际生产中出现的问题，能够从事合成氨生产的工艺运行、生产操作等工作。为了更好地培养学生的综合思维和实际动手能力，提高该课程的教学效果，确保学生具有较强的理论知识和技能水平，笔者对该课程教学方法的改革，进行初步的研讨。
　　一、强化课堂教学，提高教学质量
　　《合成氨生产工艺》是包括无机化学、分析化学、物理化学、化工原理、化工热力学、化工设备、机械基础等知识在实际生产中有机的综合应用，因此，必须确保学生能够掌握并将所学基础知识串联综合起来，应用于实际生产。《合成氨生产工艺》是按照原料气的制备、原料气的净化、原料气的压缩和合成这一先后顺序进行讲解的，不同的生产过程往往包含了多个工段。例如，以煤为原料进行合成氨的生产，仅原料气的净化就包含了原料气的脱硫、一氧化碳的变换、二氧化碳的脱除、原料气的精制。这些工序的生产原理、条件、工艺设备等之间是相互联系、互相制约的。采用中温变换后，可用铜氨液洗涤法除去少量一氧化碳和二氧化碳，但不能采用甲烷化法，只有前面中变换后串低温变换，将原料气中的一氧化碳和二氧化碳的总含量降至0.7%以下，在后续精制时才能采用甲烷化法。因此，在课堂教学过程中，不能孤立地学习和掌握某一工序的原理及工艺条件，必须前后内容互相渗透、相互联系。
　　另外，不同的工段生产过程中也存在许多共同的地方，如中温变换和低温变换所使用的催化剂虽然不同，但两者在使用前都要进行还原反应，而还原反应所用的介质都是一氧化碳和氢气，他们发生的反应分别为：
　　中温变换催化剂还原反应：3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O
　　3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2
　　低温变换催化剂还原反应：CuO+H2=Cu+H2O
　　CuO+CO=CuO+CO2
　　通过以上比较，不但可以加深学生对还原过程的理解，而且能够帮助学生记忆。
　　课堂教学中采用启发式教学，不断向学生提出问题，让学生带着问题学习，并结合实际生产与学生共同分析问题，寻求解决问题的最佳方案。这样，既能提高学生的学习兴趣，又能提高学生分析问题解决问题的能力，为其解决实际生产问题奠定基础。
　　二、运用多媒体教学手段，提高课堂教学魅力
　　巴甫洛夫说过，在学习过程中，如果有多种器官参与，可提高大脑皮层的兴奋性。《合成氨生产工艺》相对于其他课程，有自己的特殊性。它注重的不是某个公式或原理的推导，而是对原有基础知识在实际生产中的应用。在教学过程中，涉及到的许多工艺流程都非常复杂，设备繁多，管道错综复杂。采用传统的教学方式“黑板+讲解”方式，学生始终弄不懂某些复杂的流程和设备结构，给教学带了很大困难。如果能适时、适度地运用集多媒体计算机、录像、动画、音响等功能于一身的电教媒体进行教学，通过多媒体生动形象、直观清晰、声像结合、动感强等优势，促使学生多种感官参与，充分展示知识形成的过程，使学生在轻松、愉快的氛围中获取了知识，增长智慧。
　　例如，在制作铜洗工艺流程课件时，要重点讲述分阶段控制温度这一内容。笔者用动画分解和动画合成的形式，表现和描述设备的内部构成及气液流动方向，分别对回流塔、还原器和再生器三个设备的组成、位置、设计机理、温度控制、操作要领等进行剖析和讲解，使学生很容易地就掌握了如何解决铜氨液再生过程中温度对解吸及还原反应相互矛盾的影响这一重要内容。笔者还利用到企业学习的机会，对某化肥厂的工艺流程及部分复杂单体设备进行录像，并在教学中播放。学生不但有身临其境的感受，而且更直观地看到生产实际及设备真实的内部构造。另外，还可以配备解说词和选择背景音乐。因为音乐能够提高人的素质，开发人的智力，愉悦人的精神。学生在听音乐活动中，大脑的两半球能得到和谐发展，能激发想象力、创造力。当然，解说必须内容正确、重点突出、速度适中、语言规范。在这样的学习环境中，学生的学习兴趣大大提高，有利于提高课堂教学的效率，增强课堂教学的魅力。
　　三、增加信息量，扩充学生知识面
　　《合成氨生产工艺》中介绍的主要是传统的、成熟的生产工艺。由于出版该书需要一系列的流程，而随着科学技术和工业生产的迅猛发展，开发出越来越多的新工艺、新技术，不一定都能及时、全部编入教材。因此，教师应当将科技发展的前沿情况、工业发展的行情以及科研新动向和新方向引入课堂，同时还要将一些目前还没有攻克的技术难题讲给学生，以鼓励他们掌握扎实的专业技能知识，为未来研究技术难题打好基础。例如，在讲解氨合成催化剂时，笔者曾经向学生提出如下问题：“氨的合成反应是一个放热反应过程，温度越低，越有利于提高平衡氨含量。那么，为什么还要在较高温度下进行反应呢？”有的学生回答：“主要是为了提高反应的速度。”笔者对其回答进行了纠正：“提高反应速度只是一方面，最主要的还是在很低的温度下，氨合成催化剂没有活性，反应很难进行。所以，研发低温下具有高活性的氨合成催化剂，将对降低能耗、改变氨合成高温下危险的工作环境、提高经济效益产生巨大影响，也将会全面提升我国合成氨工业在国际上的竞争力。”学生在了解新信息、开阔视野的过程中，不但兴趣倍增，而且思路得到了拓宽，为培养学生改进和开发新工艺的兴趣和能力打下了基础。
　　四、注重理论与实践相结合，提高学生技能操作水平
　　《合成氨生产工艺》作为一门实践性、应用性非常强的课程，离不开实践教学环节，而实践环节主要包括生产实习（见习）和仿真综合实训。
　　1.加强生产实践
　　工厂实习是对学生进行理论联系实际的现场教学。作为课堂教学的重要补充，实习可以采用多种形式。一方面，在没有讲述该课程前，安排一至两天的时间，组织学生到合成氨厂进行认识实习，让学生初步认识合成氨生产过程，巩固已学的化工基础理论知识，明确下一步的学习内容，提高对该课程的认识程度及学习兴趣，为下一步学好本课程做准备。另一方面，学习合成氨生产工艺这门课程，除对生产过程有一个感性认识之外，还必须对合成氨生产过程有一个理性的认识，并具有运用所学知识分析解决问题的能力。为此，必须组织学生进行毕业实习，即学生需要至少有一个月时间要下工厂。学生进厂以后，工程师要为学生介绍该厂整个的合成氨生产工艺过程，并进行安全教育；然后，根据三大工段即造气、净化、合成岗位情况进行分组，每个组跟随相应岗位的工人师傅，按照四班或三班倒制度轮流上下班，由每班的班长和工人师傅负责学生的管理工作和实习岗位的技术指导，并按照规定时间轮换岗位。实习指导教师负责学生组织纪律、安全生活以及专业知识的理论指导。实习结束时，学生必须独立完成实习报告。此外，实习指导教师还应与各工段技术人员，采用现场口试及笔试的办法，对学生进行考核。学生实习成绩可按以下方法进行综合评定：实习成绩=车间评定成绩×20%＋实习报告成绩×20%＋现场口试×20%＋笔试成绩×40%，并将实习成绩记载学生档案。
　　2.加强仿真综合实训
　　化工仿真训练系统是以计算机软件为基础，对石油化工生产过程进行的动态模拟，从而实现学生在计算机上对化工生产过程进行操作与实验。它具有弥补教学手段和下厂实习受条件限制等优点，能与生产实际紧密结合，对培养高技能、复合型人才发挥着重要作用。笔者以某化肥厂为原型的大型合成氨全流程仿真模型和以某化工厂为原型的合成氨大工段DCS控制系统仿真软件（两者均以天然气为原料的合成氨工艺）为例，对仿真教学过程做如下改革与探索：
　　（１）实习目标要求。通过仿真实习，了解合成氨生产工艺的原理与流程，掌握合成氨生产中的主要参数和DCS控制系统的操作。具体要求是：了解并熟悉生产方法和原理，以及原料、催化剂及产品特性；掌握生产工艺流程（流程中设备、主副管线，过程操作和控制）；掌握各工序工艺条件及控制;掌握主要设备操作温度、压力和组成；主要设备型式、结构；掌握主要设备及管线上的控制及仪表及调节方法。
　　（２）实习时间及安排。实习时间是一周。首先，在周一，进行实习动员并提出注意事项及要求；开设合成氨工艺及设备、仿真装置及操作等讲座；学生复习合成氨工艺相关知识，学习实习指导书，查阅相关资料。其次，在周二至周四的时间，进行合成氨全流程仿真模型和合成大工段DCS控制系统仿真软件参观、练习、实际操作。最后，周五进行仿真实习上机模拟考试及正式考核。
　　（３）实习内容。合成氨装置转化工段的主要内容是：原料气脱硫、原料气的一段蒸汽转化、转化气的二段转化、高变、低变、给水、炉水和蒸汽系统；合成氨装置净化工段的主要内容是：脱碳、甲烷化、冷凝液回收系统；合成氨装置合成工段的主要内容是：合成系统、冷冻系统。
　　通过下厂实习及仿真综合实训，理论教学与实践训练得到很好地结合，学生对该课程知识的学习兴趣，有了很大的提高，课堂效果明显提高。同时，提高了学生在化工生产过程中分析和解决实际问题的能力，为其将来走上工作岗位打下良好的基础。
　　在多年的《合成氨生产工艺》课程教学工作中，笔者不断强化课堂教学质量，积极运用多媒体教学手段，注重并加强理论与实践相结合，取得了很好的教学效果。
　　（作者单位：山东化工技师学院）