“大組討論、小組實驗”化工專業實驗的新思路
——以甲醇制汽油實驗為例

郭躍萍，常彥龍，馮慶華，徐向陽

化學國家級實驗教學中心(蘭州大學)，蘭州 730000

1 實驗背景分析

石油是不可再生能源，我國的石油資源雖然并不匱乏，但是開采難度和開采成本較高，而我國的煤炭資源相對豐富，在煤化工產業鏈的基礎上，甲醇和二甲醚的產能相對過剩，所以將甲醇制備成汽油不僅可以消耗過量的甲醇，還可有效緩解石油緊張的局面。由甲醇制備的汽油成本較低，辛烷值高且不含硫，燃燒時可大大降低對大氣的污染。在“綠水青山就是金山銀山”的環保思想指導下，設計了“甲醇制汽油實驗”，引領學生在做化工設計時以環保為前提，設計更加有利于國家經濟發展的新型能源化工流程。在實驗的設計和教學中將思政教學融入其中，弘揚社會主義核心價值觀，激發學生的愛國情懷[1-3]。

在理科較強的蘭州大學化學化工學院培養工科的化學工程與工藝專業和能源化工專業的學生，培養的學生有很大的比例會繼續進行研究生階段的學習，所以需要進行大量的化工類綜合性實驗的培養，而將教師的科研項目轉化成實驗項目是豐富綜合性實驗內容的有效途徑[4]。

現階段由科研項目轉化的化學化工綜合實驗項目越來越多，但是科研性實驗的特點決定了轉化實驗進行的時間一般都比較長，所以怎樣讓學生在實驗有限的學時內系統地進行實驗是需要仔細斟酌的，在有限的實驗學時內組織學生有序、高效地完成科研轉化類綜合實驗是本文探討的內容。下面以甲醇制汽油實驗為例，進行實驗方式的論述。

2 實驗教學設計策略

教學設計過程可用圖1來概述。

圖1 教學設計過程概述圖

教學設計過程分為“六步走”，分別是“任務發放”“查閱文獻和設計方案”“實驗室討論和實驗”“實驗后討論”“報告撰寫”和“修正改進實驗”，下面根據實際教學來分別具體說明。

(1)課外預習過程。

這部分對應圖1的前兩步。首先是在實驗項目開始前一周由教師在學習通平臺上發布實驗項目名稱和簡單的項目描述，要求學生在規定時間內進行文獻的查閱和整理，并完成教師在平臺上預設的問題，成績合格后進入實驗室。預習問題一般有：目前工業上制備甲醇的方法有哪些？為什么要將甲醇制備成汽油？制備過程中需要控制的重要的工藝參數有哪些？甲醇制汽油常用的催化劑有哪些？目前人們對甲醇制汽油比較認可的機理是什么？等等。這種“以問代講”的形式能夠更好地啟發學生思考，使學生更深刻地理解實驗的設計背景[5,6]。考核成績達到80分以上才可以進入實驗室進行實驗。通過查閱文獻資料了解甲醇制汽油的工藝流程特點，并設計相應的實驗方案，整理成紙質版的預習報告。圖2是學生前期預習、查閱資料和預習報告展示圖。

圖2 學習通答題圖、數據庫查資料圖、預習報告圖

(2)實驗前討論、分組。

教師首先根據學生提交的預習報告了解學生調研情況，組織學生進行分組討論，每組推選一名學生進行本組觀點論述，進行全班統一討論。教師結合學生討論情況，幫助學生篩選出適合實驗室設備條件的研究內容，如反應器溫度可變范圍、甲醇/水體積比優選范圍、進料速度可控范圍等。并通過提問的方式考查學生對甲醇制汽油流程和原理的掌握情況，衡量其能否達到對實驗過程的整體把握。最終根據學生人數分發任務，進行分組實驗。圖3是學生進行集體討論、分組討論以及學生闡述觀點等活動圖。

圖3 學生集體討論圖、分組討論圖、學生講解圖

(3)進行實驗。

進入實驗室進行實驗，教師引導學生認識實驗室中相關裝置，指導學生規范操作。如加壓流量泵的流量控制、固定床反應器的床層溫度控制、氣相色譜的準確進樣和分析等，使學生具有在規范操作的基礎上可對設備的小故障進行排除和處理的能力。圖4是教師講授實驗、學生操作儀表等圖片。

圖4 教師講授實驗圖、學生操作儀表圖片、裝填催化劑圖、取樣分析圖

(4)實驗后討論。

實驗結束后進行第二次討論，結合各組結果進行數據分析討論并給出實驗方案修正意見。最后要求學生根據實驗所用儀器畫出流程圖、分析計算實驗數據并撰寫實驗報告。圖5是學生實驗后的大組討論圖。

圖5 實驗后討論圖

(5)實驗修正和改進。

教師結合報告和討論結果針對前面的“任務發放”“查閱文獻和設計方案”“實驗室討論和實驗”三部分進行反饋，根據實驗報告和討論的結果及時改進教學方法和實驗內容，為后期實驗的更新做準備。圖6是學生的報告展示。

圖6 學生報告展示圖

3 實驗過程

3.1 實驗原理

甲醇制汽油(MTG)是煤制汽油的后半段核心技術，氣相的甲醇在催化劑表面經過脫水反應得到低碳烯烴(C2-C5)，在催化劑的酸性位處，經過烷基化、環化、異構化等反應進一步生成含有分子量較大的烯烴、芳烴、環烷烴等成分的汽油。ZSM-5沸石分子篩是MTG工藝常用的工業催化劑，因為ZSM-5分子篩具有合適尺寸的孔道結構，且孔道的表面含有酸性中心，所以為甲醇的MTG反應提供了豐富的催化活性中心。ZSM-5上不同強度的酸性中心促進的反應不同，所以MTG技術的產物分布主要取決于催化劑表面的酸性位分布，故可通過調節ZSM-5的組成或結構調整其酸性中心的分布，進而提高液態烴的選擇性和汽油的產率[7,8]。為了保證實驗學時，催化劑選用工業級別的圓柱狀ZSM-5催化劑，且沒有進行進一步的處理，但是催化劑的優化處理等研究情況可以通過討論的形式向學生灌輸。

3.2 實驗裝置

圖7是實驗用的微型反應器，將甲醇和水按照一定的比例加入液體進料罐中，利用加壓泵將物料打入預熱器，加熱到110 °C，進入微型反應器在催化劑表面進行反應，反應后經過冷凝器冷卻實現氣-液分離，分別取氣相和液相進行分析，記錄氣體體積和液體體積。

圖7 甲醇制汽油裝置簡圖(左)和實驗裝置實物圖(右)

3.3 實驗流程

為了保證實驗的平行可比性，同一大組選用相同Si/Al的新鮮催化劑。經過討論和分析，發現反應物中甲醇/水的體積比、反應器床層溫度對汽油的收率影響較大，所以在分組時選擇同一小組的學生固定甲醇/水的比例，改變不同的溫度，在實驗學時內每個小組學生可以進行4個反應溫度的實驗。

在實驗時每一小組學生都需要進行固定床的拆卸、催化劑的填充、固定床的安裝、體系氣密性檢查、反應器升溫、原料液進料、調節流量、氣相取樣、液相取樣、色譜分析等步驟的操作，圖8是實驗進行的流程圖。

圖8 實驗流程圖

3.4 實驗結果總結

用面積歸一法計算產物中油相和水相中甲醇的含量，記錄產物中油相和水相的體積。根據產物組成計算甲醇轉化率，分析汽油組成、計算汽油收率、反應活化能。通過文獻對比分析氣相色譜圖中的峰位，確定汽油中的各項組成。

圖9是不同固定床溫度下甲醇轉化率變化圖，圖9(a)是不同甲醇/水比例時甲醇的轉化率變化，圖9(b)是不同進料速度下甲醇的轉化率變化。在相同溫度下，甲醇/水比值越大，甲醇的轉化率越高。在相同的甲醇/水比值下，床層溫度越高轉化率越高，在400-420 °C下轉化率達到了最高。從圖中還可以發現，隨著溫度的增加甲醇的轉化率會下降。結合文獻，發現其主要原因是由于催化劑的失活引起的。在指導學生分析實驗結果時可以將催化劑失活的機理和分析手段等知識進行介紹。

圖9 不同固定床溫度下甲醇轉化率變化

圖10是不同固定床溫度下汽油的收率。從圖中可以發現，在甲醇/水比值是4 : 1時得到的收率比甲醇/水比值是3 : 1時的汽油收率高，并且在床層溫度是400 °C時達到了13.1%的收率。

圖10 不同固定床溫度下汽油收率

4 成績評定與教學效果

成績評定強調過程性和終結性，通過跟蹤學生實驗全過程給出客觀評價。成績構成如下所示：實驗預習(5%網上思考題+5%預習報告)、討論情況(10%)、實驗操作(30%)、實驗報告成績(40%)、紀律衛生(10%)。圖11是學生近三年對本實驗課程的評分情況。

圖11 學生評教成績

學生對實驗教學過程的嚴謹性、實驗內容的挑戰性、實驗方法的科學性、實驗考核的合理性等方面給出了高于95分的分值。

本實驗作為化學工程與工藝專業和能源化工專業的專業實驗，目前經過三輪的實驗教學實踐，證明“大組討論、小組實驗”化工專業實驗的方式可以極大地調動學生的積極性和主觀能動性，使學生通過對具有固定床特性的微型反應器的操作，達到對甲醇制汽油流程的熟悉，在以能源化工為基礎的實驗開發方向上，引導學生了解最新的研究動態，應用已有的專業知識研發新技術。

經過改革，化工實驗教學獲評蘭州大學教學成果二等獎，獲批了多項蘭州大學本科生實驗技術創新基金，發表了多篇教學改革論文，出版了實驗教材。并組織學生參加全國大學生化工實驗大賽，獲得國賽一等獎和二等獎。