化學反應工程教學的一點思考

雷澤+張香蘭

[摘 要]化學反應工程是化工專業的核心課程，學生普遍感覺難學，教師也感覺難教。對化學反應工程常規的教學方法改進外，尚需要從課程本身的特點出發，從第一堂課開始即要構建一個清晰、明確的課程知識體系，避免過多的糾結于復雜的數學計算過程。在教和學的過程中巧妙的利用一些處理方法解決知識難點，起到融會貫通的作用。教學院系在化工專業培養體系和課程設置上要適當注意專業知識內容的銜接和運用，力爭做到學以致用，學以會用。

[關鍵詞]化學反應；工程教學；知識框架；方法銜接

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0121-03

化學反應工程是化學工程的一個重要分支和組成部分，以化學反應過程和反應器為研究對象，旨在進行化工反應技術的開發、反應過程的優化和反應器的設計與優化，屬于化學工程與工藝專業的核心課程。[1]本課程涉及物理化學、化工熱力學、化工傳遞過程、優化與控制以及數學、物理等多領域的知識，是集綜合性、工程性和理論性于一體的交叉性很強的一門學科。學生在學習本課程時，普遍感到理論抽象、數學推導繁瑣、工程問題多，不少學生認為化學反應工程是大學中最難學習的課程之一。[2]甚至，很多學生在學完本課程之后，其思維仍停留在繁瑣的計算公式中，不甚清楚所學知識的內在聯系和具體應用。盡管已有很多關于化學反應工程的教學、教改論文，在教學內容、教學方法以及考核方法等方面提出很多有益的建議和措施，但是仍有必要進一步的對化學反應工程的內容進行一個系統的梳理，構建一個明確、系統的知識體系框架，對一些容易混淆的概念、知識點予以廓清，并針對部分知識難點的教學提出一些建設性處理方法。鑒于上述原因，筆者經過多年的教學實踐，結合學生的反饋，獲得一些體會，希望能與同仁們進行交流，提升本門課程的教學效果。

一、構建課程知識體系框架

由于化學反應工程具有內容多、公式多、計算繁瑣的特點，很多大學生在學完本門課程后，留下的印象大多是大量、復雜的公式推導和計算，他們仍十分迷惑從這門課程中究竟學到了什么知識，所學知識有什么用？因此，在課堂教學時要力求避免純粹的繁瑣數學描述，著重進行基本概念、基本理論和工程觀點的闡述。這就有必要構建一個清晰、明確的化學反應工程的知識體系，讓學生清楚課程的核心目標以及不同章節知識點間的內在聯系，并不過多的糾結于復雜的數學計算，方能化繁為簡，更好的掌握本課程的知識。

圖1畫出了化學反應工程課程的知識體系框圖，涵蓋了課程的核心目標、研究對象及其間相互關系和主要章節內容。學習本課程的核心目標是能對化學反應過程進行正確分析，設計和優化反應器?；诖?，還可開發新技術和設備，指導和解決反應過程開發中的放大問題，發展和完善反應工程學的理論和方法。工業化學反應總是在一定的反應器中進行，化學反應的特性（化學過程）和反應器的傳遞特性（物理過程）共同作用，影響到最終的反應結果。為了便于學習和研究，將反應特性和反應器傳遞特性分開來進行研究和闡述，在分別研究清楚之后，再進行綜合。這就需要研究清楚兩方面的內容：（1）化學反應特性，主要研究不考慮傳遞過程的本征動力學，屬于每一個化學反應的個性，是影響反應結果的內因，不同的化學反應體系具有不同的動力學表達式。按照參加反應的物相劃分，化學反應可分為均相反應和非均相反應。其中，均相反應的反應速率主要受催化劑、溫度、濃度（壓力）和溶劑特性的影響，在反應體系確定的情況下，其反應速率則可表示為溫度（T）和濃度（C）的函數關系，即：-ri=f（T，C）。而非均相反應總是發生在相界面上，其本征化學反應過程涉及多個界面過程（如：氣-固相催化反應包含表面吸附、表面反應和表面脫附三個串聯過程），其反應速率除受上述因素影響外，還受到反應界面大小的影響，在催化劑確定的情況下，仍可表示為-ri=f（T，C）。本部分內容主要涉及均相反應動力學基礎和非均相反應（多相催化催化）動力學基礎兩個章節。（2）反應器傳遞特性，主要是指反應器的熱量、質量傳遞（在壓力變化不大的情況下，一般不考慮動量傳遞）和返混特性，屬于反應器的共性問題，是影響反應結果的工程因素——通過影響反應器內溫度與濃度分布而改變反應結果。反應器按操作方式可以分為間歇式操作、連續操作和半連續操作。其中間隙式操作的所有流體質點具有同樣的停留時間，而不存在返混問題；而連續操作的反應器根據返混的大小程度則可以分為完全不返混的平推流反應器（PFR）、完全返混的全混流反應器（CSTR）以及介于二者之間的實際反應器。PFR和CSTR中的流體流動狀態是兩種理想的極端情況，稱為理想流動；而偏離上述兩種理想情況的流體流動（不管是否由返混造成）則為非理想流動，對于非理想流動通常通過停留時間分布函數和停留時間分布密度函數，并借助于一定的流動模型來描述其流動特征。本部分內容主要分為理想流動（部分書也稱之為均相反應過程）和非理想流動兩個章節。

反應器的傳遞特性與其中發生何種反應無關，故可以通過冷模實驗來研究大型反應器中的傳遞特征；而化學反應的本征反應動力學特性與反應器的尺寸、形式無關，則可以構建小型熱態實驗研究反應特性。這樣就可以比較容易的分別研究清楚反應器的傳遞特性和化學反應特性。鑒于反應器的傳遞特性會改變反應器的溫度場、濃度場，從而影響反應器內各質點的反應速率，進而又改變反應器內的溫度、濃度分布，二者相互作用、相互影響，影響最終的反應結果。因此，需要綜合考慮化學反應特性和反應器傳遞特性，通過數學模型法，聯立物料衡算式、熱量衡算式、動力學方程、動量衡算式和參數計算式，進行反應過程的分析（包括反應器的熱穩定性），從而設計新的反應器或對現有反應器進行優化。本部分內容主要涉及均相反應器（含反應器熱穩定性分析）和非均相反應器（主要包括固定床反應器、流化床反應器及多相流反應器）各章節。考慮到我校的化學反應工程教學課時為48學時，關于多流體相反應過程、聚合反應過程以及生化反應過程等章節的內容則不做課堂教學要求，感興趣的同學可以自學。

二、注重方法

關于教學方法在很多教學論文[3] [4] [5]中已有較好的闡述，在這里主要針對本門課程一些難點拋磚引玉的介紹幾個處理方法，希望有助于大學生學習和掌握相關內容，學會將所學知識進行移植、融會貫通。

（三）在化學反應工程中常常會涉及很多優化問題的求解問題

化學反應工程常常涉及串聯反應中間產物為目標產物時的優化操作時間，循環反應器的最優循環比，CSTR串聯反應器的優化組合，以及CSTR反應器的熱穩定性等問題。優化問題求解實際上就是求解極值，慣用的手段就是推導出關鍵函數與關聯操作變量的函數關系式，通過求導并令導數等于零即可求出最優操作條件。這是純粹的數學問題，學生往往覺得抽象、難以理解，并容易因抽象的數學公式而產生厭學情緒。這時，將關鍵函數與關聯操作變量在圖上示意出其變化趨勢，再結合關鍵函數的數學求導進行講解就很容易被學生理解、接受了。

三、知識的銜接與應用

化學反應工程是一門集理論知識和工程應用于一身的課程，貫穿化學工程專業的大學三年級及其以后的整個大學生涯。在化工專業的課程設置和能力培養上必須注重知識的銜接和應用。我校的化學反應工程課程安排在大學第六學期，同步開設了化工專業實驗，其中與本課程緊密相關的實驗主要涉及反應器停留時間分布的測定（包括管式反應器流動特性測定、多釜串聯返混性能測定）、多孔物質（催化劑）孔徑分布及比表面積的測定、甲基丙烯酸甲酯的本體聚合及其聚合反應速度的測定、活性炭吸附法脫除氣體中的有機溶劑蒸汽、煤炭反應性的測定、固體流態化實驗（含流化床干燥實驗）、超細粉體（碳酸鈣）的制備等（上述部分實驗屬于設計性的選做實驗）。通過實驗強化學生對非理想流動特征、反應器停留時間分布特征及其測定方法、反應速率測定方法、多孔介質上氣體吸附特征及其應用、實際反應器等的認識和理解，并能初步創造性的運用所學理論知識進行反應器的操控和數據的處理。第六學期期末即進行為期3周的化工生產實習，其中2周主要在燕山石化的煉油廠和化工廠進行，現場重溫各類實際化工反應器及其操控；1周在校內進行，可在新建的化工仿真實驗室進行石油常減壓蒸餾和催化裂化工段的仿真實習，熟悉各裝置的操控、調節和事故分析、處理，增強工程分析和解決工程問題的能力。每年舉辦的全國大學生化工設計競賽（自2007年開始舉辦，時間為每年的5月-8月）為化工類大學生提供了一個很好的培養和鍛煉創新思維、工程設計與實踐等多方面技能的實戰平臺。近五年來，我?；I學生均組隊參賽，參賽人數比例逐年遞增，今年的參賽人數達整個化工專業學生總人數（指化工專業三年級大學生，個別二年級優秀學生參與體驗但不組隊參賽）的65%。從2014開始，我校開始嘗試將本年度的化工設計競賽題目作為化工專業的專業綜合設計題目，一改使用多年設計題目的陳舊感，緊追化工領域的當前熱點，師生普遍反映效果良好。在化工設計競賽中的一大核心即是反應器的設計和模擬，有助于夯實化學反應工程學科相關知識，并學以致用。課堂教學——專業實驗——設計競賽——專業綜合設計這一系列教學實踐活動保證了化學反應工程知識的強化、吸收和從學到用的銜接。

四、結束語

綜上所述，對化學反應工程的教學除了常規的教學方法的改進外，尚需要從課程本身的特點出發，從第一堂課開始即要構建一個清晰、明確的課程知識體系，避免過多的糾結于復雜的數學計算過程。并且，在教和學的過程中巧妙的利用一些處理方法解決知識難點，起到融會貫通的作用。此外，教學院系在化工專業培養體系和課程設置上要適當注意專業知識內容的銜接和運用，力爭做到學以致用，學以會用。

[ 注 釋 ]

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

[2] 茍建霞，解勝利，賈冬梅.化學反應工程教學與改革[J].廣西大學學報（自然科學版），2008（S1）：264-266.

[3] 尹先清，李賡.化學反應工程教學方法探討[J].長江大學學報（社會科學版），2010（5）：32-33.

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

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

[責任編輯：鐘 嵐]