倡導(dǎo)理論結(jié)合實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生工程分析能力
——“研究生高等反應(yīng)工程”研究與思考

張 志

(北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，銀川 750021)

自19世紀(jì)末以來(lái)，各種化學(xué)動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)相互作用的概念被引入物理化學(xué)和工業(yè)化學(xué)的分支中，化學(xué)反應(yīng)工程是二戰(zhàn)后興起的一門學(xué)科，從歐洲傳至全球[1]。而高等反應(yīng)工程作為工程碩士的必修課，不同于本科生的基礎(chǔ)教學(xué)，碩士階段的學(xué)習(xí)更注重于通過(guò)建模來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，理論聯(lián)系實(shí)際，增強(qiáng)動(dòng)手能力[2]。

1 高等反應(yīng)工程的研究?jī)?nèi)容和目的

高等反應(yīng)工程是基于工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)研究反應(yīng)器中物料的流動(dòng)，傳熱和傳質(zhì)的相互作用，如：整個(gè)反應(yīng)連續(xù)運(yùn)行所引起的反混現(xiàn)象、多相反應(yīng)器中傳質(zhì)和溫度分布對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響、反應(yīng)過(guò)程中的傳質(zhì)和反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng)引起的傳熱問(wèn)題，優(yōu)化工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行[3]。

相對(duì)而言，研究的目的也比較簡(jiǎn)明。就實(shí)際應(yīng)用而言，雖然一般工廠的反應(yīng)堆投資比例不會(huì)太大，但反應(yīng)堆的最佳設(shè)計(jì)和運(yùn)行是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題[4]。同時(shí)，應(yīng)注意反應(yīng)堆的最佳設(shè)計(jì)和運(yùn)行應(yīng)遵循整個(gè)工廠系統(tǒng)，反應(yīng)堆的優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)根據(jù)整個(gè)工廠系統(tǒng)確定，以便整個(gè)工廠能夠突破某些限制。

2 研究方法

對(duì)于高等反應(yīng)工程學(xué)科的研究而言，其方法不外乎三種：實(shí)驗(yàn)法、解析法也即理論研究方法、理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型法。作為一門工程學(xué)科，高等反應(yīng)工程自設(shè)立以來(lái)所體現(xiàn)出的復(fù)雜度就不在于其本身，而在于其所涉及的反應(yīng)器的復(fù)雜外形和變化莫測(cè)的物性。例如，在填充床中，靠近壁面的顆粒比主體區(qū)域的顆粒多孔性更強(qiáng)，壁面附近的空隙率也相應(yīng)大于主體區(qū)域。與均勻加載的理想床相比，相同單位截面流量下實(shí)際床的阻力降較小。這種現(xiàn)象叫做壁效應(yīng)。對(duì)于壁效應(yīng)往往很難做出準(zhǔn)確的描述，不同研究者可能會(huì)得出差別很大的結(jié)果，所以想要用解析法對(duì)高等反應(yīng)工程學(xué)科所涉及的案例進(jìn)行描述很難奏效。實(shí)驗(yàn)法實(shí)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上不考慮反應(yīng)過(guò)程的機(jī)理，直接利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立相關(guān)方程，其所得到的屬于經(jīng)驗(yàn)方程，雖在早期的的反應(yīng)工程學(xué)發(fā)展中作為一種研究的重要方法功不可沒(méi)，但其存在很大的局限性，即其適用范圍很難超出實(shí)驗(yàn)范圍，不具有廣泛外推性。因此，隨著科學(xué)的進(jìn)步，具有半實(shí)驗(yàn)半理論的數(shù)學(xué)模型法逐漸受到廣大科學(xué)工作者們的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型法的基本思路：首先根據(jù)相關(guān)理論指導(dǎo)對(duì)所要研究的反應(yīng)進(jìn)行歷程假設(shè)，然后根據(jù)假設(shè)在研究所限定的條件下進(jìn)行建立相關(guān)方程，即建模，之后在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后通過(guò)線性和非線性回歸求得模型參數(shù)，最后進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，例如進(jìn)行F檢驗(yàn)，以獲得最佳模型。合成氨的動(dòng)力學(xué)研究算是該領(lǐng)域數(shù)學(xué)模型法應(yīng)用的比較成功的例子，實(shí)驗(yàn)人員在一定的溫度和壓力下，用鐵作為催化劑，進(jìn)行催化氫氣和氮?dú)獾暮铣砂狈磻?yīng)。焦目金在消除內(nèi)外擴(kuò)散所產(chǎn)生的影響后，提出假設(shè)：催化劑上氮的非均相吸附是反應(yīng)的控制步驟，通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的模型，模型的數(shù)學(xué)形式是冪級(jí)數(shù)型。直到今天，這個(gè)模型還在氨中合成反應(yīng)器的設(shè)計(jì)得到了廣泛的應(yīng)用，并作為一個(gè)經(jīng)典的工程案例被寫入高校教材中。

3 課堂教學(xué)與實(shí)際結(jié)合

高等反應(yīng)工程雖然作為化工類高校的基礎(chǔ)必修課程，早在本科生階段就已經(jīng)開(kāi)設(shè)過(guò)了，但研究生階段的學(xué)習(xí)畢竟不同于本科生階段，老師們也改變了教學(xué)方法。老師就首先了解了我們所有人的本科學(xué)習(xí)情況，并讓我們帶著目的去學(xué)習(xí)，去參與，

而不是像本科時(shí)一樣盲目的接受。之后的課程，為了調(diào)動(dòng)大家的積極性，老師在每個(gè)專題的理論講解后都會(huì)講和這方面相關(guān)的工程案例，比如：化工企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的純堿生產(chǎn)中的碳化塔反應(yīng)器、汽車尾氣凈化器、2015年天津港重大火災(zāi)爆炸事故[2]。在提出案例的同時(shí)老師會(huì)詳細(xì)和我們講解每個(gè)案例所涉及到的化工原理以及動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)知識(shí)，然后在拋出新的案例讓我們?cè)谡n堂上進(jìn)行討論并運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)來(lái)說(shuō)出自己的見(jiàn)解，課下也給我們布置了相關(guān)的案例讓我們查找相關(guān)資料和文獻(xiàn)，對(duì)案例進(jìn)行深入分析。

4 結(jié)語(yǔ)

高等反應(yīng)工程是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，和微積分，化工原理，物理化學(xué)，工業(yè)催化等都有緊密的聯(lián)系。在我們學(xué)習(xí)的過(guò)程中能夠感受多學(xué)科的魅力，不在局限于本科室的課本教學(xué)，在老師案例式的教學(xué)課堂上，也收獲了如何將理論和實(shí)際相結(jié)合的方法。