《化工安全与环保技术》-教学案例五（【课程思政教学案例】）

课程思政教学案例《化工基础》一、课程概况课程名称：化工基础授课章节：第二章典型化工产品工艺学第三节合成氨生产二、学情分析（一）学生知识经验分析：授课对象为应用化学本科二年级学生，已经完成全部化学基础课程的学习，此阶段的学生思想相对成熟，已经具备了基本的化工专业知识。（二）学生学习能力分析：通过调查问卷的方式发现，学生遇到学习问题的解决办法中10%的学生倾向于及时请教老师，46.67%的学生倾向于上网去查阅相关问题，20%的学生倾向于与同学相互交流，23.33%的学生倾向于留着问题以后再说。由此可见，大部分学生遇到学习问题的解决办法中会上网去查阅相关问题;少部分的高职学生遇到学习问题的解决办法中会及时请教老师。所以本课程在编排上，有意识、有目的地对化工基础涉及的工程技术研究思想和方法进行科学阐述和传授，让学生熟悉各种研究方法，了解不同的研究对象，采用不同研究方法的原因，体察各种研究方法的实质，学会根据具体对象，按照问题认识程度的不同，选择正确的研究方法，以培养学生独立思考、自我获取知识、扩展知识的能力，突出素质教育。（三）学生思想状况分析：目前学生自身的学习动机、态度和兴趣都是以实用型就业为导向的。许多学生都暴露出了纯粹为了考试而学习的态度,而不是为了学习而学习。在学习过程中表现出的方法不正确，勤奋程度不够高，久而久之对学业产生了懈怠的态度。三、教学内容（一）课堂教学目标(1)知识目标:1.理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。(2)能力目标:1.培养学生的创新思维,训练科学方法。2.培养学生理论联系实际,具体问题具体分析的能力。(3)价值目标:1.通过了解合成氨的全过程，可以激发学生爱科学、探索科学的热情。2.通过合成氨前景的展望，激发学生学习兴趣，使学生体会化学学科中逻辑结构严谨深刻的科学美。（二）教学知识点本节以氨的合成为重点，阐述合成原理，并对一些合成塔、合成流程进行分析对比。然后对现代合成氨工厂的一些问题如原料线路、大型化、综合利用等,着重从技术经济的角度作一些分析。并将氨合成反应的特点与二氧化硫催化氧化比较，主要是在催化剂允许的温度范围内转化率很低，必须采用高压来提高转化率;必须采用循环流程以提高原料利用率。合成氨的生产是消耗能量的生产，它所用的原料恰好又都是能源，因此节省能源是合成氨生产的又一突出的特点。（三）重点难点(1)教学重点:应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。(2)教学难点:氨合成工艺条件的优化（四）思政资源(1)思想政治教育素材:在教学中以学生为中心，采取引导启发和归纳概况相结合的教学方法,借助多媒体课件和板书结合引导学生进行学习,激发学生的学习兴趣，调动学生的学习主体能动性，并且围绕知识传输、能量培养、品格塑造三位一体的课程建设目标，挖掘家国情怀、社会责任、工匠精神等社会价值观相关的思政元素融入点,通过各种教学素材的运用,在课堂上问答互动，以及课后延展作业，将思政元素贯穿到本节课的教学实施中，以润物细无声的方式将理想信念和家国情怀有效的传递给学生,在传授知识的同时实现立德树人的教育功能，将教书育人的使命落实在课堂教学的主渠道中。(2)思想政治教育元康:对学生在已有知识的基础上进行新知识的建构，同时增强社会责任感，认识化学学习的社会价值。学生从生活经验或对身边事物的观察为出发点,从生活中获取化学知识从而体会到除了伴随着物质变化和能量变化以外，还可以从另一个角度研究化学反应。在此过程中，强调实验探究的重要作用，突出了科学方法教育，教会学生运用实验手段寻找证据并进行合理的推理论证,最终建构研究化学反应的思维模型。通过合成氨教学中贯穿绿色化学思想，引导学生用绿色化学思想与当今化工生产情况相结合。有意识、有目的地对化工基础涉及的工程技术研究思想和方法进行科学阐述和传授,并融入相关的思想政治教育,引领他们树立正确的世界观、人生观、价值观，善于用马克思主义的立场、观点和方法来认识问题、解决问题:也要引领他们确立正确的历史观、民族观、国家观和文化观，不断增强学生的道路自信、理论自信、制度自信和文化自信，为每位学生播种梦想、点燃梦想，让更多学生敢于有梦、勇于追梦、勤于圆梦，用中国梦打牢青年学生的共同思想基础,用中国梦激发学生的历史责任感和使命感。四、教学方法与手段（一）教学方法1.启发逻辑推理式教学:采用现象揭示→提出问题→解决问题为主线的教学模式，层层递进，寓教于乐，使重点知识便于理解和记忆。通过学习,培养学生理论联系实际，培养在科学研究过程中逻辑性和严谨性的思维。2.项目教学法:先通过例子导入本项目的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操作方法，指导学生按步骤完成实训项目。然后，在学生预习的基础上学习固液分离的相关知识。3.联系法:通过课后习题和文献阅读等方式，引导学生进一步对课堂内容和知识点进行巩固和加强，同时评价教学效果，及时了解学生对知识的掌握情况，把控课堂节奏。教学中要强调技术、技能和应用。组织以学生为主的教学方式，分组讨论、类比归纳。（二）教学手段本节采用项目教学法，以行动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重培养学生规范操作、观察分析、团结合作的能力。根据本项目特点，采用“问题导入—演示—评价—讲授—讨论”的教学过程，先让学生在完成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的学习达到教学目标。教学中要强调技术、技能和应用。组织以学生为主的教学方式，可以分组讨论、类比归纳、实验实训探究、着重采用启发式教学。通过前期有效备课，课堂中采用:创设情境，兴趣导入→猜想与假设→合作学习，探究新知→交流探究成果，得出结论→巩固应用，深化规律。五、教学过程设计教学内容和教学过程专业知识与思政的融合第一部分:组织教学、回顾上节课内容(5min)[清点人数、学生引课]点名、查看学生上课出勤情况第二部分:新课导入目前，中国是世界上最大的化肥生产和消费大国，合成氨年生产能力已达4222万吨。但合成氦一直是化工产业的耗能大户。2018年6月7日~8日，全国合成氨节能改造项目技术交流会在北京召开,明确了“十一五”期间合成氦节能工程在降耗、环保等方面要达到的具体目标。会议根据“十一五”期间《合成氨能量优化节能工程实施方案》规划，确定的这一重点节能工程的目标是:大型合成氮装置采用先进节能工艺、新型催化剂和高效节能设备，提高转化效率，加强余热回收利用:以天然气为原料的合成氨推广一段炉烟气余热回收技术，并改造蒸汽系统:以石油为原料的合成氨加快以洁净煤或天然气替代原料油改造:中小型合成氨采用节能设备和变压吸附回收技术，降低能源消耗。煤造气采用水煤浆或先进粉煤气化技术替代传统的固定床造气技术。到2010年，合成氨行业节能目标是:单位能耗由目前的1700千克标煤/吨下降到1570千克标煤/吨;能源利用效率由目前的42.0%提高到45.5%:实现节能570万~585万吨标煤，减少排放二氧化碳1377万~1413万吨。据了解，十多年来，我国合成氨装置先后经过油改煤、煤改油、油改气和无烟煤改粉煤等多次反复的原料路线改造和节能改造，其中造气炉、炉况监测与系统优化、脱硫系统等技改始终是重点。但是，由于装置原料路线、资源供应、运输、资金与技术成熟度等诸多方面原因，合成氨节能技术改造的效果始终未能达到预期目标。到2004年底,合成氦单位能耗平均为1700千克标煤/吨，吨氮平均水平与国际先进水平相差600-700Kg标煤。据了解，合成氨节能改造项目的具体实施由中国化工节能技术协会负责。第三部分:新课讲授[讲述]一、合成氮概述（10min)【知识拓展】简单介绍我国合成氮工业的发展情况。氨的合成是人类从自然界制取含氮化合物的最重要方法。氨则是进一步合成含氮化合物的最重要原料，而含氮化合物在人民生活中都是必不可少的。1977-1978年，世界含氮化合物产量为4935万吨氮，1980-1981则达6284万吨。氨除了本身可以作为肥料外，它是进一步制取各种氮肥的原料。氮肥是现代农业生产必不可少的，年增加率达7%。目前有氨制成的氮肥，最重要的是尿素、硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵等。氮用于生产各种氮肥约占其总产量的80%-90%。鉴于氮在国民经济中的重要性，许多国家都集中主要力量解决与合成氨有关的技术和理论问题。如高压技术、煤的气化、深冷技术、气体净制、特种钢材、催化理论等。因此，合成氨的发展，又在理论上和技术上指导了其他新型的工业，如人造石油、甲醇、尿素的合成。乙烯的高压聚合等。1.氮合成流程氨是用氢、氮合成的，所以合成氨的直接原料为氢和氮氨的生产过程，粗略可分成四步:原料的生产；原料气的净化；氦的合成；氮的分离。在这个原则流程中，氨的合成是核心，原料气的生产和净化工艺必须满足氨的合成要求，氨的分离和循环气返回合成塔的工艺，也主要是根据合成反应的结果来确定的。除氨的合成外，其它过程的转化率和分离率都比较高。由于氦合成的转化率较低，反应后的气体经氦分离后循环返回合成塔。在这个原则流程中，氨的合成是核心，原料气的生产和净化工艺必须满足氨的合成要求，氦的分离和循环气返回合成塔的工艺，也主要是根据合成反应的结果来确定的。二、化学反应条件的优化—工业合成氮(20min)【引入】全国脱贫攻坚总结表彰大会2月25日上午在北京人民大会堂隆重举行。经过全党全国各族人民共同努力，在迎来中国共产党成立一百周年的重要时刻，我国脱贫攻坚战取得了全面胜利。根据最新联合国机构联合报告《非洲粮食安全和营养区域概况》，非洲2.37亿人处于慢性营养不足状态。所以我国完成的脱贫壮举，为世界注入源源不断的减贫动能，展现出负责任大国担当。中国将一如既往，同世界各国一道，为共建一个没有贫困、共同发展的人类命运共同体而不懈奋斗，为人类和平与发展的崇高事业不断作出新的更大贡献。其中粮食生产作为脱贫攻坚中的重要部分，如何提高粮食的产量就不得不提人工固氮合成氦生产，人工合成氦实验的成功令人欢欣鼓舞,它对工业、农业生产和国际科技的重大意义是不言而喻的。自1784年发现氨气以后,人们一直在研究如何利用化学方法由N和比合成NHs,但直到1913年才建成了大型合成氨厂-合成氮的工业化生产经历了如此漫长的发展过程。它不仅使两位杰出的化学家勒夏特列和能斯特折戟蒙羞，而且使一位对人类社会发展作出巨大贡献，并因此获得诺贝尔化学奖的哈伯堕落成为助纣为虐与人民为敌的可耻下场。今天这节课我们就沿着科学家的足迹来体验工业合成氨条件的优化选择。[板书]化学反应条件的优化——工业合成氨【设问引入】比较两个反应，从工业化生产的角度考虑，你认为哪一个更适合实现人工固氮的工业化生产?【交流·研讨】合成氨反应是一个可逆反应:N;(g)+3H;(g)=2NHs(g)已知298K时，AH=-92.2kJ-mol-lS=-198.2J·K'-mol'请根据正反应的烩变和嫡变分析298K下合成氨反应能否自发进行学生讨论分析反应特点:合成氨反应为放热、气态物质系数减少的可逆反应.△H-TAS=-92.2kJ·mol1-298K(-198.2J·K-.moll)<0298K时，合成氨反应是可以自发进行的。【提问】只有相关的反应原理是不够的，假如你是一个化工厂的老板，对工业生产你主要考虑哪些问题?【学生讨论回答】降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动。经济效益和社会效益。增大化学反应限度，增大化学反应速率，另外还要考虑生产中的消耗能源、原料来源、设备条件、环境保护等因素。【小结】利用化学反应速率和化学平衡移动知识，从生产目的、选择的依据和原则角度考虑这个问题，选择生产条件的目的是什么?选择生产条件的依据是什么?【讲述】如图所示，在不同反应温度、压强下反应达平衡时，平衡混合物中氨含量的测定结果与上述理论分析结果一致。进一步研究发现，在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高。【学生回答】降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动,N、H体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高。（1）压强提高压强有利于提高平衡氨的浓度,也有利于加快反应速率。同时压力高时,氨分离流程还可以简化。但高压动力消耗大，对设备材料和加工制造要求高:高压和较高的温度下,催化剂使用寿命较短。60年代以前,合成氨的压强常采用32MPa。后来因能源费用增加,才逐步降了下来。目前许多新建大型厂采用15-20MPa.有的甚至用7-8MPa。(2)温度氮的合成是气固催化反应,最优的工艺条件必须根据催化剂的性能而定。催化剂对工艺条件的限制，主要是活性温度。由于氦的合成是可逆放热反应,最优反应温度由高面低地变化着。生产上选用的反应温度就是催化剂的活性温度(400-520℃)。(3)空间速度空间速度是指单位时间内通过单位体积催化剂的气体量(标准状态下的体积)单位也是m-n·h气固催化反应的空间速度越大,反应时间越短。对于可逆反应,开始反应时,反应速率最快,随着反应的进行,反应物的浓度逐渐降低和逆反应的增加，反应速率迅速下降。因此,空速越大,反应时间越短，生产强度(单位时间单位容积的催化剂产出产物的量)越大。空间速度的倒数为平均逗留时间,例如空间速度30000的平均逗留时间是3600/30000=0.12s。空速越大，气体流动的阻力越大，能耗越高:空速越大，氨浓度越小，单位产量的气体处理也就增加:氨分离器，循环气压缩机等的设备费用都将有所增加。(4）氢氮比化学动力学指出，氮的活性吸附是控制阶段，氢氮比低于3时比较有利。实验证明，在32MPa、450C、催化剂粒度为1.2-2.5mm、空速为24000h'的条件下，氢氮比为2.5时，出口氨浓度最大。生产上为了追求高速率，同时又要保持生产稳定，可以采取这种办法:新鲜气体的氢氮比等于3，循环气体略低于3。(5）进塔气中惰气的含量为了控制惰气的含量不超过一定限度，生产上采取放掉一部分循环气体的办法。然而循环气的弛放量越多，原料气的损失也就越多。因此，进塔气中的最优惰气含量应该在原料利用率和反应速率的经济效益对比中确定。(6)进口氨的含量进合成氮塔气体中的氮由循环气带入，其数量决定于氨分离的条件。氨分离的方法是降温液化法。温度越低，分离效果越好，循环气中含氦越低，进口氨浓度越小，从而可以加快反应速度和氨产量，但分离冷冻量也势必增大。在30MPa左右，进口氨含量控制在3.2%-3.8%:15MPa时为2.8%-39%。(7）催化剂的粒径在反应初期，反应温度在440-470C范围内，使用粒径0.6-3.7mm的催化剂较为合理;在反应后期,反应温度在在合成氨生产中，达到高转化率与高反应速率所需要的条件有时是相互矛盾的。由理论分析再结合生产实际（高压对设备材质、加工制造的要求和所需能耗多少、温度对催化剂活性的影响等)讨论:(1)既然降低温度有利于（2）既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氦的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好?回答:⑴低温虽然有利于平衡向生成氨的方向移动，但低温时反应速率低，所以生产中温度不是越低越好。考虑到催化剂活性，应选择适宜的温度。(2)虽然增大压强既可提高反应速率，又可提高氦的产量，但是我们应该考虑到反应器材质及综合指标来选择压强，并非是越大越好。【讲述】因此，选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，应该寻视以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。420-440°C范围内，使用粒径8-16mm的催化剂较为合理。⒉合成氮反应的速率【过渡】在寻找最佳的生产条件时，除了考虑反应的限度时，还需要研究采取哪些措施来提高化学反应速率。【交流·研讨】(1)结合影响反应速率的因素，思考什么条件能提高合成氨反应的速率?(2)实验表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系为v=kc(Nz)c5(Hz)c-(NHz)请你根据关系式分析:各物质的浓度对反应速率有哪些影响?可以采取哪些措施来提高反应速率?(3)请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氦反应速率的影响:【补充】除此之外，温度对合成氨反应的速率也有显著影响:温度越高，反应进行得越快。3.结合生产实际选择合成氨的适宜条件/板书/3.合成氨的适宜条件(10min)【交流·研讨】根据合成氨反应的特点，应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率?请将你的建议填入下表。在合成氨生产中，达到高转化率与高反应速率所需要的条件有时是相互矛盾的。由理论分析再结合生产实际（高压对设备材质、加工制造的要求和所需能耗多少、温度对催化剂活性的影响等>讨论:(⑴既然降低温度有利于(⑵既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好?回答。⑴低温虽然有利于平衡向生成氨的方向移动，但低温时反应速率低，所以生产中温度不是越低越好。考虑到催化剂活性，应选择适宜的温度。(2虽然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，但是我们应该考虑到反应器材质及综合指标来选择压强，并非是越大越好。【讲述】因此，选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。【随堂检测参考答案】1．解析:因催化剂不影响化学平衡移动，合成氦是放热反应，降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动。答案:B、C。2．解析:注意本题反应方程式未配平，而工业生产要求成本低、原料利用率高、反应条件相对比较温和。答案:C。3.450°C。加快反应速率，但温度过高不利于So,生成，提高催化剂的活性等合理答案。常压下SO:的转化率已经很高,若采用较大压强，SOz的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高，成本提高很大【课程小结】(5min)为使学生巩固旧知识并为本节课奠定基础，采用提问方式回顾化工产品基本流程，及合成氮应用范围。在此基础上让学生参与到问题中使学生进入分析问题，进而要解决问题的过程，激发其思维能力，并能积极参与到课堂中。使学生更好的认识到人类认识事物的过程，使学生学会运用唯物主义科学世界观解决问题。在授课过程中引入合成氨节能减排技术改进，提高学生解决实际环境污染问题的思维方法和应用技术解决问题的能力,培养学生的工匠精神。“绿水青山就是金山银山”。为加深学生对化工生产的了解。让学生了解我国合成氨工业发展历程，目前我国合成氨工业从生产能力和产量上都位居世界前列，对他们进行情感态度与价值观教育。此处通过生态文明建设的教学引入,化工专业学生投入到化工行业的同时树立崇尚自然、尊重自然的理念，增强学生投身生态文明建设的责任感、使命感。加强学生环保节能意识，使其树立生态意识、质量意识、责任意识。形成绿色发展的环保理念通过引领让学生怪得我党的领导是打赢脱贫攻坚战的根本保证，中国特色社会主交制度是打赢脱贫攻坚战的制度优势，系统完备、科学规范、运