化學反應工程的應用及其課程教學改革

【摘 要】本文介紹了化學反應工程在化工工程中的應用，并闡述了化學反應工程課程教學改進的方法，提出了強化計算機的應用、加強實驗教學以及與生產實踐相結合的改革之路。

【關鍵詞】化學反應工程 應用 教學改革

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）16-0056-02

化學反應工程是一門涉及高等數(shù)學、化工原理、化工熱力學、化工傳遞過程、化工分析與合成等多學科、多領域的科學，也是一門研究化學反應的工程問題的學科。化學反應工程是我校化學工程與工藝本專科的核心課程，目的是將實驗室中發(fā)現(xiàn)的化學反應可靠地移植到工業(yè)生產中，并且就所確定的反應與預期的生產能力對反應器的形狀、尺寸及操作方式進行設計，其應用遍及化學、石油化學、生物化學、醫(yī)藥、冶金及輕工業(yè)等許多工業(yè)部門。

一 化學反應工程在化工工程中的應用

1.化工工程是否具有可行性是一個最直接、最根本的問題，而解決這一問題的基礎是先要了解各反應的速率

對于具有工程意義的系統(tǒng)來說，反應動力學無法用理論計算，而必須通過實驗來確定。所謂的反應進行分析，即通過實驗測定動力學數(shù)據并對之進行數(shù)學關聯(lián)，從而獲得反應速度方程。因為大多數(shù)重要的工業(yè)反應都不是在充分混合的均相中進行的，傳熱和傳質過程對這些反應的進行也有相當大的影響。因此，傳遞過程動力學與化學動力學的共同作用在化學反應工程中具有非常重要的意義。

化學反應工程學中的動力學就是專門闡明化學反應速度與各個物理因素之間的定量關系。有些從熱力學分析認為可行的，如常壓、低溫合成氨，由于速度太慢而實際上是不可行的，只有研究出好的催化劑才能在適當?shù)臏囟群蛪毫ο乱燥@著速度進行反應，這就是動力學的問題。還有一些過程，從熱力學分析認為是不當?shù)模缂淄榱呀庵埔胰玻?500℃左右的高溫下，乙炔極不穩(wěn)定，最終似乎只可以得到碳和氫。但如果使它在極短時間（如0.001秒）內反應并立刻淬冷到低溫，那就能獲得乙炔，工業(yè)上也就是這樣來實施的，所以在實際應用上起決定性作用的往往是動力學因素。為了實現(xiàn)某一反應，需要選定合適的條件、反應器結構型式以及確定反應器的尺寸和處理能力等，這些都緊緊依賴于對反應動力學特性的認識。動力學是反應工程的一個重要基礎，更是化工工程的一個重要基礎。

2.化工工程需要工業(yè)反應器，而反應器的設計與計算、開發(fā)與放大是化學反應工程的一個重要內容

盡管各種產品有不同的生產過程，但作為化工生產的核心——化學反應器是必不可少的。各種不同類型的化學反應器具有不同的反應工程性質，因為在這些反應器中的流體力學及熱力學狀況可能完全不同。這就要求在進行反應器設計時，要以質量、能量及動量的基本守恒方程式為基礎。除了化學動力學以及質量和熱量的交換外，反應器中的流體力學及溫度變化類型對于反應器的生產能力也會產生影響。

工業(yè)裝置上采用的反應條件，不一定與小試或中試的一致。如在實驗室的小裝置內，反應器的直徑很小，床層也薄，一般又常以氣體通過床層的空間速度作為反應條件的一種標志。但在放大后，床層的高徑比往往就不一樣了。如要保持相同的空間速度，線速度就需改變，而線速度的大小又影響到壓降、流體的混合和傳熱等情況，從而導致反應的結果不再與小試相同。又如，在小裝置中進行某些放熱反應時，溫度容易控制，但在大裝置中，傳熱和控溫往往成為頭等難題，甚至根本不可能達到與小裝置相同的溫度條件，所有這些導致出現(xiàn)“放大效應”。因此，工業(yè)裝置的反應條件必須結合工程上的考慮才能最合理地確定。在化學反應工程學科建立以前，工業(yè)界廣泛采用的方法是逐級經驗放大的方法，中間試驗往往耗資大、歷時久。化學反應工程學科建立以后，逐步形成一套新的數(shù)學模型方法。目前，逐級經驗放大和數(shù)學模型兩種方法同時并存，各有適用范圍，但是，即使是逐級經驗放大的方法，也常是以化學反應工程的理論為指導，而不再是純經驗性的了。

3.工業(yè)反應過程的優(yōu)化操作以及反應技術的開發(fā)是反應工程在工業(yè)方面的重要應用

化工產品只有在反應器中才能產生，想提高產品的產量必然要對反應器的操作條件進行優(yōu)化。實際工業(yè)反應過程未必在最優(yōu)的條件下操作，即使設計是優(yōu)化的，在實施時往往有許多難以預料的因素，使原定的優(yōu)化設計條件在實際操作中未必是優(yōu)化的。運用化學反應工程理論對現(xiàn)行的工業(yè)反應過程進行分析，結合模擬研究，可找出薄弱環(huán)節(jié)和進一步調優(yōu)的方向，通過調節(jié)和改造以獲得最大的經濟效益。由此可知，在化工工程中，老廠的增產挖潛、新廠的設計、新工藝、新產品以及新設備的付諸實踐，化學反應工程都起著重要的指導作用。反應工程的理論為新反應器和新反應技術的開發(fā)指明了方向，研究者可據此尋找合理的設備結構和操作方法。近年來出現(xiàn)的新的石油化工裂解技術和各種新型技術，都得益于反應工程理論的指導。在工業(yè)應用中，在定性指導方面已發(fā)揮了很大的作用。但是，與理論研究相比，反應器內傳遞過程的實驗研究和數(shù)據積累還很薄弱，特別是對于化工生產中經常遇到的多相流動體系的研究還不足。因此，反應工程的研究需要與多相流體力學和多相傳遞過程的研究相結合，以便相輔相成。同時，化學反應工程向生化、冶金等領域擴展時還會出現(xiàn)新問題，這就需要進一步的研究。

二 化學反應工程課程教學改革

針對目前的高校教學，我認為在此門課程教學與學習中應對以下幾方面進行加強：

1.強化計算機的應用

氣固相催化反應器是用數(shù)學模型法設計計算最成功的實

例之一，常用擬均相模型求解。對擬均相一維模型可以得到微分方程組，此微分方程組可以用數(shù)值法求解，常用的數(shù)值法有歐拉法、改進歐拉法、龍格—庫塔法等。另外要求學生結合所學“化工計算機應用”的課程內容，采用VB計算機語言進行編程，對各種計算方法、邊界條件、步長等進行比較，使計算結果穩(wěn)定、準確。

2.加強實驗教學

如返混是不同停留時間的物料混合，返混降低了反應器中反應物料濃度，影響反應速度、轉化率及選擇性，所以返混對化學反應結果影響特別大。通過開設相應實驗，可以從中看到返混對反應物濃度的影響及停留時間分布的特征，反應器的空速等操作條件對返混程度的影響，對串聯(lián)全混釜模型與軸向分散模型有了深刻的理解。根據流動模型參數(shù)，結合在其中進行反應的特征參數(shù)，計算或預測非理想流動狀態(tài)下反應實際可達到的轉化率。

3.與生產實踐相結合

本課程以工業(yè)反應過程及反應器設備為研究對象，安排學生到工廠實習，這對本課程的學習非常重要。我們連續(xù)幾年安排學生到中石化茂名分公司實習，在實習前，我們要求學生結合所學“石油煉制工藝學”課程內容，并針對自己實習的車間查閱相關資料，了解反應原料組成和來源；掌握裝置的反應過程原理和工藝條件，熟悉裝置的設備。在實習基地先組織聽取技術人員的安全知識講座。然后在實習中了解主要裝置的工藝流程，熟悉現(xiàn)場的管線——泵——反應器——儲罐等的走向，認清部分工藝的簡易流程，了解化工生產中所用到的各類反應器、換熱器、罐及輔助設備等，使學生對各類反應過程及所涉及的設備有感性認識。通過進廠實習也進一步證明理論與實踐密不可分，有利于教學質量的提高。

三 結論

化學反應工程是一門工程類學科，與工程實際緊密聯(lián)系，數(shù)學模型復雜，實踐性和應用性很強。課程改革通過結合現(xiàn)代教學方法與手段，引入專業(yè)實驗和生產實習等實踐環(huán)節(jié)，加深了學生對理論知識的理解，培養(yǎng)了學生綜合應用知識的能力及工程意識，提高了分析、解決工程問題的能力，適應了新世紀人才培養(yǎng)模式的需求。

參考文獻

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〔責任編輯：李冰〕