基于工程能力培養的《化學反應工程》課程改革與實踐

韓永軍 王 莉

(平頂山學院化學與環境工程學院，河南 平頂山 467000)

化學反應工程是一門研究工業反應過程的開發和反應器設計、優化、放大的工程學科[1]，目標是培養學生分析、解決工業反應器設計、操作和控制中遇到的實際工程問題的能力。學生在學習時普遍感到理論抽象，數學推導煩瑣，工程問題多。本科生的工程背景知識不足，難以將反應工程基本原理與工業反應過程有效結合，將知識內化為能力[2,3]。

課堂教育是傳授知識，培養學生思維能力的主要途徑。我們以加強工程設計訓練為主線，以化工企業實際工程技術需求為導向，以理論教學圍繞工程問題講解，深化書本理論知識、強化工程應用能力。

目前教學中存在的主要問題有工程思維弱化，基本概念掌握不夠牢靠，工程設計能力基本為零[4]，因此課程教學急需解決的關鍵問題是通過理論教學，培養學生的工程思維和工程設計能力。

1 教學改革思路、教學改革具體措施和方法

1.1 倡導工程思維，牢固掌握基本概念

為建立完整的工程觀點，在教學過程中著重培養工程思維方法，充分應用基礎知識，在理論和實踐上培養學生建立工程思維方法。以化學反應過程中的返混問題為例，返混是反應器中流體流動和反應疊加而形成的重要工程概念，它是化學反應器中十分生動，又對化學反應結果影響特別大的工程因素。在返混這一概念的學習中，學生往往把間歇過程中物料攪拌混合與連續過程混為一談。間歇過程的物料是一次性全部投入反應器的，是相同年齡、相同濃度的物料之間的混合，而連續過程是不同停留時間、不同濃度的物料間的混合，二者之間有本質的區別。既然返混的結果是造成反應場所反應物濃度的降低，那么與降低反應場所反應物濃度的工程措施對反應結果的影響是等效的。例如，降低反應器進料中反應物的濃度、提高反應過程轉化率、用惰性氣體稀釋原料等都與返混是等效的。因此，教學過程中把兩種混合過程進行形象的描述，使學生自己通過思考得出結論，以幫助學生建立牢固而清晰的工程觀點。

1.2 圍繞解決工程問題組織理論教學

化學反應工程課程與工程實際密切相關，最終要為解決生產實際中的工程問題服務。我們以往的教學中注重傳授書本知識，理論與生產實際聯系較少，學生雖然掌握了化學反應工程的基本原理，但面對反應過程開發、反應器設計等實際工程問題時仍然無從下手，知識應用能力較差。為此，我們提出了圍繞“解決工程問題”組織理論教學的理念。教學中講清基本概念、基本理論后，重點介紹理論知識在解決實際工程問題中的應用，突出工程設計意識和方法的訓練，以設計型問題為引領，剖析各類反應過程的開發設計思路。各章節的教學都進行基本理論所涉及的工程問題分析，如有哪些工程因素會影響化學反應過程，有利還是有害?程度有多大?哪些方法可以消除不利因素或利用有利因素等。培養學生反應器開發設計的正確思路：(1)研究反應系統計量學特征，了解反應屬于簡單反應還是復合反應；(2)研究反應動力學特征；(3)反應器選型；(4)傳遞過程對反應結果影響的研究；(5)過程綜合，建立反應器數學模型，通過計算或實驗確定模型參數；(6)進行熱態實驗，完善模型。另外，在教學中盡可能多地增加工程設計案例分析。通過具體案例，學生可以進行模仿練習，從中學習解決工程實際問題的思路和方法。

1.3 運用工程分析方法，解決問題

在化學反應過程中，影響反應結果的因素可分為二類。一是與設備大小無關的反應動力學因素，即化學因素，這是過程的個性，每個反應各不相同；二是與設備大小密切相關的傳遞過程因素，即工程因素，這是過程的共性，同類反應器的傳遞特性是相同的，不因進行的反應過程而變化，但與反應器大小密切相關。從本質上看，工程因素對反應結果的影響，是通過流體流動、傳質和傳熱等物理過程，改變了反應場所的濃度和溫度分布，再通過反應動力學的特征間接地影響反應結果。

如前面所述的返混，已知返混使反應物的濃度降低，那么對反應結果有何影響呢?對這個問題，要根據反應過程的特征，具體問題具體分析。例如，對串聯反應而言，濃度降低總是造成反應選擇性的下降，返混的影響總是不利的；而對平行反應而言，根據反應選擇性的動力學特征，主反應級數低于副反應級數時，濃度降低是有利的，此時返混是有利的，而反之則是不利的[5]。

1.4 融入化工設計比賽，培養工程設計能力

化工項目的工程設計包括生產方案、流程設計、工藝設計、設備設計、安全環保、土建、經濟評價等多項內容。我們在大三開設第二課堂，主題為化工設計比賽，通過設計比賽提高學生的工程設計能力。將氣固相固定床催化反應器、管殼式換熱器、板式精餾塔等典型化工單元操作裝置的設計融入到化工產品工藝流程設計。在設計過程中，要求學生樹立認真嚴謹、科學求是的工程觀念?；瘜W反應工程課程設計中，學生分組完成設計，自行查閱文獻資料、查找設計方法、搜集計算公式、選擇工藝參數，完成后撰寫設計說明書。設計過程中，學生之間廣泛討論，商討設計方法，學習氛圍濃厚。通過該課程設計，學生對固定床催化反應器的形式和特點，固體催化劑的性能、內擴散有效因子的概念和計算方法，平衡溫度曲線的概念和繪圖方法，最佳溫度曲線的概念和繪圖方法，各段進出口溫度、進出口轉化率的最佳分配方法，利用本征動力學方程計算反應時間的方法，催化劑用量的計算及校正方法，反應器直徑、高度及其他附件尺寸的計算方法等知識點，有了深刻的理解和較好的掌握。

2 教學改革預期成效

化學反應工程是一門工程學科，需要學生在掌握基本概念、基本內容的同時，學會分析工程問題、解決工程問題的方法。在化學反應工程教學實踐中也始終把握這一點，采用工程思維方法和工程分析方法組織教學內容，有效地提高了學生學習的主動性，使教學過程成為思維方法、分析能力的訓練和培養過程，使學生把所學的知識轉化為認識規律、運用規律、解決工程問題的能力，適應新世紀人才培養模式對人才素質的要求。

將課程設計融入化工設計比賽，我校2014級、2015級化學工程與工藝專業于第五學期開展化工設計比賽，深受廣大學生的歡迎并積極參與，取得了良好的教學效果，比賽優勝組已參加2017、2018年度全國化工設計競賽，并獲得優異的成績。

3 結語

通過基于工程能力培養的《化學反應工程》教學改革，學生工程設計能力得到很大提升，為實現人才培養與行業需求的無縫接軌，使學生在走上工作崗位后能較快適應實際工作需要，奠定了良好的基礎。