“新工科”背景下的微反應器技術與化工原理教學改革

張 旭 雪

(齊魯師范學院 化學與化工學院, 山東 濟南 250200)

教育是關乎國家和民族發展的大事。大學教育對于多元化、創新型、應用型人才的培養尤為重要。當前,世界各國都非常重視教育的發展與變革,紛紛出臺了一系列教育改革的政策和措施,以加快推進本國教育改革的步伐,應對日趨激烈的國際競爭。我國的教學改革正以20世紀80年代以來取得的顯著成效為基礎,在一個更高、更深、更全面的層次上展開。自2017年教育部啟動“新工科研究與實踐項目”以來,地方高校齊頭并進,拉開了“新工科”高教戰略改革的帷幕。“新工科”項目以立德樹人為引領,著力于培養多元化、創新型、應用型的優秀工程人才[1]。

隨著我國經濟的高速發展,作為國民經濟的支柱產業之一,化學工業的發展突飛猛進,各種新型的化工設備、全新的化工技術、綠色環保的化工工藝不斷出現。微化工技術自20世紀90年代興起后,迅速發展成為化學工程學科的前沿和研究熱點,我國“十二五”規劃將其列為化學工業可持續發展的關鍵技術之一。由此可見,21世紀的化學工業面臨著前所未有的機遇和挑戰,微化工技術將對整個化學化工領域產生重大影響。微化工技術著重研究化工微型設備——微反應器,其并行系統中“三傳一反”(動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞、化學反應)的特征和規律與化工原理中單元操作的理論基礎是一致的。因此,在化工與制藥類專業學生的培養中,將微反應器技術引入化工原理課程,可以適應新形勢下新技術、新設備的發展,有助于“新工科”理念下創新型、應用型專業人才的培養。同時,也可以為微化工行業未來的發展提供一定的人才保障。

一、 化工原理課程分析

1. 化工原理課程的重要性

化工原理是化工與制藥類專業的重要基礎課程,以高等數學、有機化學、物理化學等課程為理論基礎,研究化工單元操作的基本原理、典型化工設備的選型設計及工藝尺寸的計算等。在學習知識的同時,借助單元操作的分類引導學生通過現象看本質,把握基本規律。在分析過程中,通過學習物料衡算(物)、能量衡算(能)、平衡關系(平)、傳遞速率(速)、經濟核算(經)在不同單元操作過程中的應用,得到解決不同單元操作工程問題的規律和方程,從而把握分析問題、處理問題的方法;借助實驗操作及數據的處理和分析,實現理論與實踐的統一。本課程的學習,使學生初步具備從單元操作的角度分析新工藝,利用“物、能、平、速、經”解決新問題,借助實驗數據分析確定新方程的能力。

該課程由“理”及“工”、由基礎到專業,強調理論與實際的結合, 承擔著“工程科學”和“工程技術”的雙重使命。 此外,該課程為后續的化學工程相關課程, 如化學反應工程、化工設計、化學分離工程等奠定了基礎。 因此,做好化工原理的教學及其改革工作, 對于多元化、創新型、應用型化工人才的培養, 以及化工類學科的發展都極為重要。

2. 化工原理教學中面臨的問題

化工原理是化工與制藥類專業學生接觸到的第一門工程類課程,與其他理論課程的學習存在很大的不同,學生在學習過程中遇到很多困難,學生畢業后擇業時也會對化工行業抱著敬而遠之的態度。筆者在教學過程中不斷與學生溝通,并積極總結、反思,總結出3個問題。

(1) 化工原理課程學習難度較大。化工原理主要研究化工生產過程中各種單元操作原理。由于各單元操作均遵循自身的規律和原理,并在相應的設備中進行,因此,單元操作原理包括過程原理和設備原理兩部分內容。一方面,在傳統教學中,過程原理部分通過理論教學完成,單元操作分類較多、內容復雜、計算繁瑣,學生在學習的過程中容易產生怯學、厭學情緒。此外,該課程涉及到的公式比較多,許多公式是基于實驗推導的半經驗公式,而學生在未建立實驗參數擬合概念的情況下,對半經驗公式的理解很有限,這又加大了學習的難度。另一方面,鑒于化工設備的特殊性,設備部分只能依賴圖片、動畫、實驗裝置進行介紹,學生缺少與實際化工設備的近距離接觸,導致學生對單元操作過程和原理的理解不夠深入。

(2) 教學過程中理論與實踐脫節。化工原理課程的工程性和實踐性很強,若能將教學與實際工業應用結合起來,將會對學生的工程思想、工程設計和創新能力的培養產生事半功倍的效果。但是,大部分學生對化工生產的概念較為模糊,幾乎未曾接觸過化工設備。目前國內大部分高校開設的化工原理實驗中,大部分實驗設備是基于對原理的驗證性實驗而設計的,與實際生產中的化工設備差距較大,不能反映出實際化工生產中存在的一些問題。此外,部分高校將化工原理和化工原理實驗作為兩門課程開設,存在理論知識與實驗操作不同步的現象。由此,學生在對理論知識理解不深入的基礎上進行實驗操作,必然會影響教學效果。

(3) 教學內容未能與時俱進。近年來,化工原理在教學改革及教材更新上取得了很大進展,但是與先進的化工生產設備之間還存在著很大的差距。將工業生產中全新的化工技術、新型的化工設備引入教學,結合原理加以講解,對學生畢業后盡快適應崗位需求、推動化工專業的科研,以及對化工行業未來的發展,都會起到很好的促進作用。

針對上述問題(1)(2),筆者所在的教學團隊已經開展了部分教改工作。團隊將化工原理與化工原理實驗兩門課程同時開設,將化工原理理論知識、實驗操作、數據處理有機結合。理論部分采用線上線下混合式教學,學生可以隨時線上學習理論知識;在實驗設計中,以現代連續工藝流程的定態過程為主線,選擇最典型的流體流動、流體輸送機械、傳熱、吸收、精餾單元操作進行講解,與學生探討分析定態過程各種單元操作的特點和規律,其他單元操作讓學生自主學習、主動探究、合作交流。經過一個學期的學習,學生的理論考試成績及操作技能普遍提高。

針對問題(3),考慮到實際化工設備成本高、體積龐大、操作危險性高的特點,筆者認為,將微反應器技術引入化工原理教學中,應該可以解決這一問題。

二、 微反應器技術與化工原理教改結合的必要性

1. 適應“新工科”建設的需要

2017年,教育部啟動“新工科”建設計劃,并積極推進“新工科”建設,先后發布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》和《教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》,并形成了以“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”為主旋律的“新工科”建設“三部曲”。2018年,教育部發布《教育部辦公廳關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》和《高等學校人工智能創新行動計劃》,將“新工科”建設推向了高潮。2020年5月,為推進“新工科”建設再深化、再拓展、再突破、再出發,推動高校加快體制機制創新,做好未來科技創新領軍人才的前瞻性和戰略性培養,搶占未來科技發展先機,教育部決定在高等學校培育建設一批“未來技術學院”。

教育部的一系列舉措引起工程教育界的廣泛關注,在世界高等教育面臨新機遇、新挑戰的特殊時期,我國高校要加快建設和發展“新工科”。“新工科”教育以立德樹人為引領,以應對變化、塑造未來為理念,以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑,致力于培養多元化、創新型、應用型卓越工程人才。李培根院士認為,“新工科”之“新”在工程教育角度具體可以體現為3個方面:①新素養。要培養能夠適應,甚至引領未來工程需求的人才。②新結構。要從專業結構、課程及知識體系方面進行革新。③新方法。即教育、教學的新方法[2]。由此可見,“新工科”為工程類課程的教學改革提出了新的標準和方向。

在“新工科”理念下,化工原理作為化工與制藥類專業的重要基礎課程及化工行業的理論基礎,應將先進的生產技術和生產設備與教學結合,打造新型特色課程和品牌課程,以適應新形勢下多元化、創新型、應用型專業人才的培養模式,形勢嚴峻,任重道遠。

where n is a factor, which when equal to unity gives the minimum dislocation density, and D is the crystallite size.

2. 微反應器替代傳統反應器是必然趨勢

微化工技術是集微機電系統設計思想和化學、化工基本原理于一體,結合集成電路和微反應器制造技術的一種高新技術。這一技術旨在研究微尺度條件下的化工過程特征和反應規律,實現化工過程的安全性、高效性、可控性。現階段,這項技術已經成為全球化工過程本質安全領域的研究前沿。

微反應器技術作為微化工技術的核心技術之一,是目前化工技術的研究重點和熱點。微反應器是一種具有微結構的管道式反應器,內部通道直徑一般為幾微米到幾百微米。微反應器具有較強的傳熱和傳質能力,可以替代傳統的實驗室間歇反應器皿,如燒瓶、試管等,從而大幅度提高反應過程中的資源及能量的利用效率,減小過程系統的體積或提高單位體積的生產能力。此外,在微反應器內,化學反應以平推流的方式進行推進,反應物混合均勻、接觸完全,不會在反應器內有過多的滯流量,即便是高活性的反應物也能夠較快地消耗掉,這就確保了實驗的安全性。因此,微反應器可將實驗室的小試條件以“數增放大”的方式進行工業化放大,達到每年數萬立方米的生產規模,實現化工過程的強化、微型化和綠色化。由此可見,利用微反應器技術,可以有效避免傳統化工工藝中小試、中試及工業化放大中的放大效應,縮短工藝研發周期。此外,特殊化學反應,如強放熱反應、高毒性反應均可通過微反應器順利完成。因此,微反應器為化工過程的經濟性和本質安全研究開辟了新的發展方向。

鑒于微反應器技術的強大優勢,世界各國的很多化工專業人才都致力于該領域的科技研發與工業轉化。自20世紀80年代以來,以美國和歐洲為代表的石化、醫藥企業如Velocys、Corning、Shell、BASF、Bayer、Merck等巨頭公司就已積極投入微化工技術的研發與應用中,并已在精細化工、生物制藥等領域取得了一系列工業進展。歐美公司非常重視新技術的研發與保護,針對微化工技術的研發成果申請了大量的核心專利保護,并非常重視全球市場的專利布局。國內對于微反應器技術的研究主要集中在中國科學院大連化學物理研究所、清華大學、南京工業大學等科研院所,以及以中國石油化工集團公司、山東豪邁化工技術有限公司和杭州沈氏節能科技股份有限公司為代表的公司,雖然專利數目較多,但均以本國申請為主,缺少國際競爭力[3]。

因此,微反應器替代傳統反應器是未來工業化生產的必然趨勢。在“新工科”背景下,微反應器技術必將是未來的化工人才必須掌握的一門技術。中國微反應器技術的發展充滿希望和挑戰,未來的化工人才任重道遠。將微反應器技術與化工原理教改進行有機結合,在學生學習化工基礎理論知識的初期就進行微反應器技術的滲透,有助于創新型、應用型化工人才的培養及中國微化工行業的發展。

三、 微反應器技術與化工原理教改結合的優勢

現階段,微反應器是國內外高校和企業實驗室內新產品和新過程研發的重要平臺。微反應器在微時空尺度下“三傳一反”的特征和規律與化工原理中單元操作的理論基礎是一致的。因此,將微反應器技術與化工原理課程教學結合的可行性比較高。本文分析認為將二者進行有機結合具有3個方面的優勢。

1. 有助于提升教學效果

化工原理主要研究化工生產過程中各種單元操作。各單元操作按照基本規律可歸結為動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞,與微反應器“三傳一反”的特征和規律是一致的,因此。將二者結合進行教學,有助于學生對單元操作基礎理論的理解。

2. 有助于學生對微反應器技術的了解

化工單元操作包括過程原理和設備兩部分。傳統教學中,設備部分的學習只能依賴圖片、動畫及實驗裝置,學生不能與實際化工設備近距離接觸。在教學中引入微反應器模型,引導學生思考其工作原理及模式,有助于學生盡早了解化工方面的前沿技術,對于他們后期的學習、工作及科研定位都起著十分重要的作用。

3. 有利于微反應器技術的長遠發展

現階段的微反應器技術在應用過程中還有很多技術難點,例如堵塞問題、腐蝕問題、成本問題、集成問題、特殊反應受限問題等。這些問題的解決依賴于未來的化工人才,而微反應器技術與化工原理教學的結合恰恰有助于這種優秀工程人才的培養。

綜上所述,將微反應器技術與化工原理教改進行結合,既能在一定程度上解決化工原理教學現存的部分問題,又能推動人才的培養和微化工行業的發展。

四、 微反應器技術與化工原理教改的結合點

由于微反應器著重研究微時空尺度下“三傳一反”的特征和規律,而化工原理所有的單元操作幾乎都可以歸類為動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞。因此,在教學中二者可以很好地結合。

1. 在流體流動的相關知識點中引入微反應器

(1) 連續性方程。連續性方程是化工原理中流體流動單元操作的重要方程,很多流體流動問題的解決都要以連續性方程為基礎進行相關計算。在微反應器分離的三維結構中,內部通道直徑一般為幾微米至幾百微米,單一液相流體在通道內的流動規律滿足連續介質假定,因此,連續性方程仍然適用。

(2) 流體流型分析。在化工原理中,流體的流型分為兩種,分別是層流和湍流,其判斷依據為雷諾數Re的大小。一般情況下較粗的管路中心容易形成湍流,而在較細的管路中,層流內層的厚度較大,流體整體為層流狀態的可能性較高。大部分微反應器采用連續操作的方式,對于均相體系,小通量的微通道內流體的Re較小,流型以層流為主,少量大通量的微反應器可以在較高的流速下達到湍流。

(3) 管路設計與流體混合。管路設計的原則嚴謹而復雜,不同的管路設計對流體混合方式產生直接的影響。在傳統的混合設備中,一般為湍流式混合,由于尺度限制,該混合方式在微通道反應器內難以實現。根據化工原理中流體流動相關知識,可以依靠層流混合和局部二次流混合技術來實現湍流[4]。

層流混合依靠分子擴散進行,因此,通道尺寸越小越有利于提高混合效率。微反應器主要是通過在微通道中設計分支結構,使流體發生一次或多次分層,導致物料微團間的距離成倍減小,從而縮短混合時間,實現快速高效混合。

局部二次流混合主要依賴結構設計,在通道中形成局部的渦流或混沌對流,使物料分散、變形,從而增大接觸面積,以實現強化混合,例如工業化前景較好的T型撞擊流微混合器。

2. 在傳熱教學中引入微反應器

很多化工事故的發生源于熱失控,因此,熱量控制是化工反應的重中之重。由于微反應器結構的特殊性,內部流體的比表面積高達104～106m2/m3,流體與壁面之間能夠高效地進行熱交換。對于圓管內的層流流動,管壁溫度維持恒定時,由公式Nu=hd/k=3.66可知,傳熱系數h與管徑d為反比關系,管徑越小,越有利于傳熱[5]。另有研究表明,微反應器的相間體積傳熱系數為傳統設備的10～50倍[6]。因此,利用微反應器開展化學反應可以有效控制傳熱。

3. 在傳質教學中引入微反應器

微反應器的相間體積傳質系數可以達到傳統設備的10～1 000倍[6]。一方面,微反應器內部的通道直徑一般為幾微米到幾百微米,內部液滴和氣泡的分散尺度也限制在這一范圍內,這就保證了納米級的混合尺度;另一方面,通道的多樣性有利于內循環,促進反應物料的快速混合,進而保證反應器內物料分布的均勻性和反應過程的一致性。對于圓管內層流流動,由公式Sh=kcd/DAB=3.66可知,當組分A在管壁處的濃度維持恒定時,傳質系數kc與管徑d成反比,管徑越小,越有利于傳質。由于微通道內流動多屬層流流動,主要依靠分子擴散實現流體間混合, 由公式t=d2/DAB可知,混合時間t與通道直徑的平方d2成正比,與之前的結論一致,管徑越小,越有利于傳質[5]。由此可見,通道直徑d的減小能大大強化傳質過程。

4. 在傳統反應器的學習中引入微反應器

與傳統反應器相比,微反應器占據很大的優勢,隨著微反應器技術的快速發展,微反應器必將替代傳統反應器,實現化工生產的一場大變革。因此,在化工生產裝置,尤其是反應器的學習中,對比傳統反應器介紹微反應器及其優勢,有助于學生對這一新技術的掌握。微反應器的優勢主要表現在4個方面[7]。

(1) 安全性高。反應體積小是微反應器最突出的特點,即使是大通量的微反應器,其內部通道直徑最多可達到幾毫米,高活性的反應物在微反應器內存留量少而且快速地被消耗,所以微反應器非常適合完成劇烈的化學反應過程。同時,微反應器中反應原料的量為微量級別,即使用到毒性較大的原料,也能將反應過程控制在安全范圍之內,進一步降低了出現危險的可能性。

(2) 可控性好。主要表現在3個方面。①對反應溫度的控制。微反應器較大的比表面積可以實現高效換熱,避免了強放熱反應中由于散熱不及時導致的局部過熱現象。②對反應時間的控制。微反應器對其微管中的物料采取連續平推流的操作方式,故物料的停留時間可以通過微管的長度來調控,從而避免了因反應時間過長而產生副產物。③對物料配比的控制。傳統反應器中由于混合不均勻,容易導致某一反應物局部過量,而微反應器的反應通道在微米級,物料可以按配比快速地均勻混合,從而避免由于物料局部過量而產生副產物。

(3) 無放大效應。傳統的工藝放大采用的是放大反應器尺寸的方法,容易導致反應器內物料的流動、混合尺度分布變寬,故工藝參數需要在小試的基礎上進行多次調整。而用微反應器進行工藝放大時采用“數增放大”,即增加微通道數量的方法,故小試條件可以直接用于工業化生產,不存在放大效應,從而縮短了產品從研發到上市的周期。

(4) 環保經濟性較好。傳統化工技術在生產上依賴于大型反應設備,存在放大效應,導致原料和能源消耗大、產物收率低。微反應器在小試反應條件下,以“數增放大”的方式進行放大生產,可有效提高產出率,并減少副產物和其他有害物質的排放,實現綠色可持續發展。

五、 結 語

“新工科”為新時代工程人才的培養提出了新的標準和要求,同時也對工程類課程的教學提出了挑戰。化工原理是化工與制藥類專業學生的第一門工程類專業基礎課,強調理論與實踐的結合,為后續的化學工程相關課程如化學反應工程、化工設計、化學分離工程等奠定基礎。但是,目前國內大部分高校對于化工原理及化工原理實驗的教學安排存在一定的問題,其中教學內容不能與時俱進最為凸出。因此,如何在教學改革中有效地將化工前沿新技術引入化工原理教學,以適應“新工科”概念下高素質人才的培養,是時代賦予高校與教師的使命。

微反應器是現代化工新型設備的研究熱點,具有換熱和傳質效率高、控制性好、安全性能高、易于放大等特點,順應了高技術含量和可持續發展的要求。微反應器“三傳一反”的特征和規律與化工原理中單元操作的理論基礎是一致的。因此,將微反應器技術引入化工原理教學具有很高的可行性,有助于學生對于化工前沿技術的了解,促進化工行業創新型、應用型專業人才的培養。此外,隨著對微反應器技術研究的深入,其優異的性能也越來越被大家認知,但是作為一個新興的技術和領域,人們對微尺度下多相流行為,微流體間傳熱、傳質規律的認識還不夠深入和完善,現有的微反應器還存在很多缺陷,新型的微反應設備有待開發,培養具有微反應理念的創新型、應用型化工人才是時代所需。