化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)的一點(diǎn)思考

雷澤+張香蘭

[摘 要]化學(xué)反應(yīng)工程是化工專業(yè)的核心課程，學(xué)生普遍感覺(jué)難學(xué)，教師也感覺(jué)難教。對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程常規(guī)的教學(xué)方法改進(jìn)外，尚需要從課程本身的特點(diǎn)出發(fā)，從第一堂課開(kāi)始即要構(gòu)建一個(gè)清晰、明確的課程知識(shí)體系，避免過(guò)多的糾結(jié)于復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程。在教和學(xué)的過(guò)程中巧妙的利用一些處理方法解決知識(shí)難點(diǎn)，起到融會(huì)貫通的作用。教學(xué)院系在化工專業(yè)培養(yǎng)體系和課程設(shè)置上要適當(dāng)注意專業(yè)知識(shí)內(nèi)容的銜接和運(yùn)用，力爭(zhēng)做到學(xué)以致用，學(xué)以會(huì)用。

[關(guān)鍵詞]化學(xué)反應(yīng)；工程教學(xué)；知識(shí)框架；方法銜接

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）08-0121-03

化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程的一個(gè)重要分支和組成部分，以化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)器為研究對(duì)象，旨在進(jìn)行化工反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)、反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，屬于化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程。[1]本課程涉及物理化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工傳遞過(guò)程、優(yōu)化與控制以及數(shù)學(xué)、物理等多領(lǐng)域的知識(shí)，是集綜合性、工程性和理論性于一體的交叉性很強(qiáng)的一門學(xué)科。學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，普遍感到理論抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣、工程問(wèn)題多，不少學(xué)生認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)工程是大學(xué)中最難學(xué)習(xí)的課程之一。[2]甚至，很多學(xué)生在學(xué)完本課程之后，其思維仍停留在繁瑣的計(jì)算公式中，不甚清楚所學(xué)知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系和具體應(yīng)用。盡管已有很多關(guān)于化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)、教改論文，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方法等方面提出很多有益的建議和措施，但是仍有必要進(jìn)一步的對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程的內(nèi)容進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的梳理，構(gòu)建一個(gè)明確、系統(tǒng)的知識(shí)體系框架，對(duì)一些容易混淆的概念、知識(shí)點(diǎn)予以廓清，并針對(duì)部分知識(shí)難點(diǎn)的教學(xué)提出一些建設(shè)性處理方法。鑒于上述原因，筆者經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合學(xué)生的反饋，獲得一些體會(huì)，希望能與同仁們進(jìn)行交流，提升本門課程的教學(xué)效果。

一、構(gòu)建課程知識(shí)體系框架

由于化學(xué)反應(yīng)工程具有內(nèi)容多、公式多、計(jì)算繁瑣的特點(diǎn)，很多大學(xué)生在學(xué)完本門課程后，留下的印象大多是大量、復(fù)雜的公式推導(dǎo)和計(jì)算，他們?nèi)允置曰髲倪@門課程中究竟學(xué)到了什么知識(shí)，所學(xué)知識(shí)有什么用？因此，在課堂教學(xué)時(shí)要力求避免純粹的繁瑣數(shù)學(xué)描述，著重進(jìn)行基本概念、基本理論和工程觀點(diǎn)的闡述。這就有必要構(gòu)建一個(gè)清晰、明確的化學(xué)反應(yīng)工程的知識(shí)體系，讓學(xué)生清楚課程的核心目標(biāo)以及不同章節(jié)知識(shí)點(diǎn)間的內(nèi)在聯(lián)系，并不過(guò)多的糾結(jié)于復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，方能化繁為簡(jiǎn)，更好的掌握本課程的知識(shí)。

圖1畫(huà)出了化學(xué)反應(yīng)工程課程的知識(shí)體系框圖，涵蓋了課程的核心目標(biāo)、研究對(duì)象及其間相互關(guān)系和主要章節(jié)內(nèi)容。學(xué)習(xí)本課程的核心目標(biāo)是能對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行正確分析，設(shè)計(jì)和優(yōu)化反應(yīng)器。基于此，還可開(kāi)發(fā)新技術(shù)和設(shè)備，指導(dǎo)和解決反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)中的放大問(wèn)題，發(fā)展和完善反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法。工業(yè)化學(xué)反應(yīng)總是在一定的反應(yīng)器中進(jìn)行，化學(xué)反應(yīng)的特性（化學(xué)過(guò)程）和反應(yīng)器的傳遞特性（物理過(guò)程）共同作用，影響到最終的反應(yīng)結(jié)果。為了便于學(xué)習(xí)和研究，將反應(yīng)特性和反應(yīng)器傳遞特性分開(kāi)來(lái)進(jìn)行研究和闡述，在分別研究清楚之后，再進(jìn)行綜合。這就需要研究清楚兩方面的內(nèi)容：（1）化學(xué)反應(yīng)特性，主要研究不考慮傳遞過(guò)程的本征動(dòng)力學(xué)，屬于每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的個(gè)性，是影響反應(yīng)結(jié)果的內(nèi)因，不同的化學(xué)反應(yīng)體系具有不同的動(dòng)力學(xué)表達(dá)式。按照參加反應(yīng)的物相劃分，化學(xué)反應(yīng)可分為均相反應(yīng)和非均相反應(yīng)。其中，均相反應(yīng)的反應(yīng)速率主要受催化劑、溫度、濃度（壓力）和溶劑特性的影響，在反應(yīng)體系確定的情況下，其反應(yīng)速率則可表示為溫度（T）和濃度（C）的函數(shù)關(guān)系，即：-ri=f（T，C）。而非均相反應(yīng)總是發(fā)生在相界面上，其本征化學(xué)反應(yīng)過(guò)程涉及多個(gè)界面過(guò)程（如：氣-固相催化反應(yīng)包含表面吸附、表面反應(yīng)和表面脫附三個(gè)串聯(lián)過(guò)程），其反應(yīng)速率除受上述因素影響外，還受到反應(yīng)界面大小的影響，在催化劑確定的情況下，仍可表示為-ri=f（T，C）。本部分內(nèi)容主要涉及均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)和非均相反應(yīng)（多相催化催化）動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)兩個(gè)章節(jié)。（2）反應(yīng)器傳遞特性，主要是指反應(yīng)器的熱量、質(zhì)量傳遞（在壓力變化不大的情況下，一般不考慮動(dòng)量傳遞）和返混特性，屬于反應(yīng)器的共性問(wèn)題，是影響反應(yīng)結(jié)果的工程因素——通過(guò)影響反應(yīng)器內(nèi)溫度與濃度分布而改變反應(yīng)結(jié)果。反應(yīng)器按操作方式可以分為間歇式操作、連續(xù)操作和半連續(xù)操作。其中間隙式操作的所有流體質(zhì)點(diǎn)具有同樣的停留時(shí)間，而不存在返混問(wèn)題；而連續(xù)操作的反應(yīng)器根據(jù)返混的大小程度則可以分為完全不返混的平推流反應(yīng)器（PFR）、完全返混的全混流反應(yīng)器（CSTR）以及介于二者之間的實(shí)際反應(yīng)器。PFR和CSTR中的流體流動(dòng)狀態(tài)是兩種理想的極端情況，稱為理想流動(dòng)；而偏離上述兩種理想情況的流體流動(dòng)（不管是否由返混造成）則為非理想流動(dòng)，對(duì)于非理想流動(dòng)通常通過(guò)停留時(shí)間分布函數(shù)和停留時(shí)間分布密度函數(shù)，并借助于一定的流動(dòng)模型來(lái)描述其流動(dòng)特征。本部分內(nèi)容主要分為理想流動(dòng)（部分書(shū)也稱之為均相反應(yīng)過(guò)程）和非理想流動(dòng)兩個(gè)章節(jié)。

反應(yīng)器的傳遞特性與其中發(fā)生何種反應(yīng)無(wú)關(guān)，故可以通過(guò)冷模實(shí)驗(yàn)來(lái)研究大型反應(yīng)器中的傳遞特征；而化學(xué)反應(yīng)的本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性與反應(yīng)器的尺寸、形式無(wú)關(guān)，則可以構(gòu)建小型熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究反應(yīng)特性。這樣就可以比較容易的分別研究清楚反應(yīng)器的傳遞特性和化學(xué)反應(yīng)特性。鑒于反應(yīng)器的傳遞特性會(huì)改變反應(yīng)器的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)，從而影響反應(yīng)器內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的反應(yīng)速率，進(jìn)而又改變反應(yīng)器內(nèi)的溫度、濃度分布，二者相互作用、相互影響，影響最終的反應(yīng)結(jié)果。因此，需要綜合考慮化學(xué)反應(yīng)特性和反應(yīng)器傳遞特性，通過(guò)數(shù)學(xué)模型法，聯(lián)立物料衡算式、熱量衡算式、動(dòng)力學(xué)方程、動(dòng)量衡算式和參數(shù)計(jì)算式，進(jìn)行反應(yīng)過(guò)程的分析（包括反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性），從而設(shè)計(jì)新的反應(yīng)器或?qū)ΜF(xiàn)有反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化。本部分內(nèi)容主要涉及均相反應(yīng)器（含反應(yīng)器熱穩(wěn)定性分析）和非均相反應(yīng)器（主要包括固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器及多相流反應(yīng)器）各章節(jié)。考慮到我校的化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)課時(shí)為48學(xué)時(shí)，關(guān)于多流體相反應(yīng)過(guò)程、聚合反應(yīng)過(guò)程以及生化反應(yīng)過(guò)程等章節(jié)的內(nèi)容則不做課堂教學(xué)要求，感興趣的同學(xué)可以自學(xué)。

二、注重方法

關(guān)于教學(xué)方法在很多教學(xué)論文[3] [4] [5]中已有較好的闡述，在這里主要針對(duì)本門課程一些難點(diǎn)拋磚引玉的介紹幾個(gè)處理方法，希望有助于大學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)內(nèi)容，學(xué)會(huì)將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行移植、融會(huì)貫通。

（三）在化學(xué)反應(yīng)工程中常常會(huì)涉及很多優(yōu)化問(wèn)題的求解問(wèn)題

化學(xué)反應(yīng)工程常常涉及串聯(lián)反應(yīng)中間產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物時(shí)的優(yōu)化操作時(shí)間，循環(huán)反應(yīng)器的最優(yōu)循環(huán)比，CSTR串聯(lián)反應(yīng)器的優(yōu)化組合，以及CSTR反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性等問(wèn)題。優(yōu)化問(wèn)題求解實(shí)際上就是求解極值，慣用的手段就是推導(dǎo)出關(guān)鍵函數(shù)與關(guān)聯(lián)操作變量的函數(shù)關(guān)系式，通過(guò)求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)等于零即可求出最優(yōu)操作條件。這是純粹的數(shù)學(xué)問(wèn)題，學(xué)生往往覺(jué)得抽象、難以理解，并容易因抽象的數(shù)學(xué)公式而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。這時(shí)，將關(guān)鍵函數(shù)與關(guān)聯(lián)操作變量在圖上示意出其變化趨勢(shì)，再結(jié)合關(guān)鍵函數(shù)的數(shù)學(xué)求導(dǎo)進(jìn)行講解就很容易被學(xué)生理解、接受了。

三、知識(shí)的銜接與應(yīng)用

化學(xué)反應(yīng)工程是一門集理論知識(shí)和工程應(yīng)用于一身的課程，貫穿化學(xué)工程專業(yè)的大學(xué)三年級(jí)及其以后的整個(gè)大學(xué)生涯。在化工專業(yè)的課程設(shè)置和能力培養(yǎng)上必須注重知識(shí)的銜接和應(yīng)用。我校的化學(xué)反應(yīng)工程課程安排在大學(xué)第六學(xué)期，同步開(kāi)設(shè)了化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)，其中與本課程緊密相關(guān)的實(shí)驗(yàn)主要涉及反應(yīng)器停留時(shí)間分布的測(cè)定（包括管式反應(yīng)器流動(dòng)特性測(cè)定、多釜串聯(lián)返混性能測(cè)定）、多孔物質(zhì)（催化劑）孔徑分布及比表面積的測(cè)定、甲基丙烯酸甲酯的本體聚合及其聚合反應(yīng)速度的測(cè)定、活性炭吸附法脫除氣體中的有機(jī)溶劑蒸汽、煤炭反應(yīng)性的測(cè)定、固體流態(tài)化實(shí)驗(yàn)（含流化床干燥實(shí)驗(yàn)）、超細(xì)粉體（碳酸鈣）的制備等（上述部分實(shí)驗(yàn)屬于設(shè)計(jì)性的選做實(shí)驗(yàn)）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)非理想流動(dòng)特征、反應(yīng)器停留時(shí)間分布特征及其測(cè)定方法、反應(yīng)速率測(cè)定方法、多孔介質(zhì)上氣體吸附特征及其應(yīng)用、實(shí)際反應(yīng)器等的認(rèn)識(shí)和理解，并能初步創(chuàng)造性的運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行反應(yīng)器的操控和數(shù)據(jù)的處理。第六學(xué)期期末即進(jìn)行為期3周的化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)，其中2周主要在燕山石化的煉油廠和化工廠進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)重溫各類實(shí)際化工反應(yīng)器及其操控；1周在校內(nèi)進(jìn)行，可在新建的化工仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行石油常減壓蒸餾和催化裂化工段的仿真實(shí)習(xí)，熟悉各裝置的操控、調(diào)節(jié)和事故分析、處理，增強(qiáng)工程分析和解決工程問(wèn)題的能力。每年舉辦的全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽（自2007年開(kāi)始舉辦，時(shí)間為每年的5月-8月）為化工類大學(xué)生提供了一個(gè)很好的培養(yǎng)和鍛煉創(chuàng)新思維、工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐等多方面技能的實(shí)戰(zhàn)平臺(tái)。近五年來(lái)，我?；I(yè)學(xué)生均組隊(duì)參賽，參賽人數(shù)比例逐年遞增，今年的參賽人數(shù)達(dá)整個(gè)化工專業(yè)學(xué)生總?cè)藬?shù)（指化工專業(yè)三年級(jí)大學(xué)生，個(gè)別二年級(jí)優(yōu)秀學(xué)生參與體驗(yàn)但不組隊(duì)參賽）的65%。從2014開(kāi)始，我校開(kāi)始嘗試將本年度的化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目作為化工專業(yè)的專業(yè)綜合設(shè)計(jì)題目，一改使用多年設(shè)計(jì)題目的陳舊感，緊追化工領(lǐng)域的當(dāng)前熱點(diǎn)，師生普遍反映效果良好。在化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的一大核心即是反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和模擬，有助于夯實(shí)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科相關(guān)知識(shí)，并學(xué)以致用。課堂教學(xué)——專業(yè)實(shí)驗(yàn)——設(shè)計(jì)競(jìng)賽——專業(yè)綜合設(shè)計(jì)這一系列教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)保證了化學(xué)反應(yīng)工程知識(shí)的強(qiáng)化、吸收和從學(xué)到用的銜接。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)除了常規(guī)的教學(xué)方法的改進(jìn)外，尚需要從課程本身的特點(diǎn)出發(fā)，從第一堂課開(kāi)始即要構(gòu)建一個(gè)清晰、明確的課程知識(shí)體系，避免過(guò)多的糾結(jié)于復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程。并且，在教和學(xué)的過(guò)程中巧妙的利用一些處理方法解決知識(shí)難點(diǎn)，起到融會(huì)貫通的作用。此外，教學(xué)院系在化工專業(yè)培養(yǎng)體系和課程設(shè)置上要適當(dāng)注意專業(yè)知識(shí)內(nèi)容的銜接和運(yùn)用，力爭(zhēng)做到學(xué)以致用，學(xué)以會(huì)用。

[ 注 釋 ]

[1] 李寶霞.《化學(xué)反應(yīng)工程》教學(xué)改革模式探討[J].高教研究與實(shí)踐，2012（4）：33-35.

[2] 茍建霞，解勝利，賈冬梅.化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)與改革[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（S1）：264-266.

[3] 尹先清，李賡.化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)方法探討[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2010（5）：32-33.

[4] 丁一剛，吳元欣，程健，等.化學(xué)反應(yīng)工程課程體系與實(shí)踐教學(xué)模式的探討[J].化工高等教育，2008（5）：49-52，79.

[5] 王垚，金涌，程易，等.化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)新理念和實(shí)踐探索[J].化工高等教育，2009（2）：1-4.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]