新工科教學化學反應工程課改基本思路

＊陳亞輝 胡立兵 朱紀奎 戴勛 張紅喜

（塔里木大學化學化工學院 新疆 843300）

為實現我國在第四次工業革命中彎道超車，提供具備國際競爭的人才支撐，培養符合時代要求的具有創新型卓越工程科技人才，既是當務之急，也是長遠之策。面對復雜化工工程向新工科轉化對學生的知識、能力、素質要求更高。為本科畢業生未來能夠勝任解決化工領域復雜工程問題，從理論知識運用、問題解決，到開發、研究和設計，到使用現代工具、結合工程理念與社會做到無縫接軌，并具有終身學習等能力，實現新工科提出的各項畢業要求[1]。以此為基，新視角審視《化學反應工程》被賦予了新的科學內涵。

《化學反應工程》作為化學工程與工藝專業及其相關相近的能源、精細等化工專業的專業核心課程。無論學校層次高低師生們普遍認為該課程難教也難學，其原因在于其鮮明的模型和模型化特點[2]。如何破解反應工程模型和模型化思想方法給教學帶來的問題，是教學教改的瓶頸之一。為了解決這一教與學的瓶頸，先建立只有物理過程模型的理解，再建立對化學反應過程和工程化過程的物理模型的理解。以學科研究的“對象、方法”培養學生對復雜對象構建模型，并用模型化方法解決問題的思路，注重理論基本功的基礎構建和創新思維，培養學生有厚積薄發的能力，把新工科建設落實到實處。

1.研究對象

諸學科的問題都可視作復雜系統[3]。對某一個復雜問題而言，在變得可分析之前，首先要必須對它進行充分清晰的表述，然后才能提出準確具體的問題是什么，這種簡化本身被當做一個問題來解決。簡化可能是粗糙的，但可以先得到一個簡化過程的分析結果，再進行修改、改進及鞏固。事實是，即使粗糙狀態它也是首要的、必要的，因為它使分析變得可行并指導分析，這永遠是科學的一大進步[4]。把它運用于一門學科的建立或學習是從劃定框架范圍開始，是所有科學研究的首要問題，必經之路。

《化學反應工程》[5]是以既有反應又有物理現象的化學反應過程又有物理現象的流體流動、混合狀態及相間的傳遞過程的復雜系統為研究對象。對化學反應工程所劃定框架范圍是研究在工業規模的反應器中進行的化學反應過程，按目前成千上萬的反應，無論哪個反應在化學反應工程的研究中，都是以化學反應速率為主線，兼顧過程中的三傳及其變化規律，并定量表達，最終完成工業反應過程的開發、放大、優化設計和操作的任務。研究時，將一個復雜系統分解為諸多“子系統”。例如，反應過程分均相反應過程和非均相反應過程，非均相反應過程又分氣固、氣液、液液、液固相等；反應系統中的化學反應按同時進行的反應個數分類有單一反應和復合反應，單個反應又通常分為單一反應和特殊形式的自催化反應，復合反應又分并列反應、平行反應、連串反應等。研究對象劃定框架范圍大小、先后等級可為“子系統”“孫系統”。盡管是“子系統”“孫系統”界定范疇變小，仍然是復雜系統，以復雜系統理論基礎為指導[3]，探究解決問題的普遍化研究方法。

2.研究方法

《化學反應工程》是對某一研究對象進行合理簡化，抽象提取其主要特征，而形成一個具體清晰有物理意義的構型[6]。下面主要討論模型化法和模型修正解決問題的思想。

（1）模型法。所謂模型法是通過對復雜系統過程的分析，以進行合理的簡化，即建立所謂物理模型；在物理模型的基礎上建立的各特征量用一定的數學方法予以描述，即建立數學模型；使其符合實際過程的規律，然后加以求解。在研究那些無法接近實際表達的復雜系統時采用模型構建的方法。模型給出的并不是某些現象的照片，而是一種能使我們迅速識別出目標的簡圖甚至草圖。復雜系統的理論被稱為模型，因為他們常常忽略許多細節，而理想化地用粗略的宏觀變量及關系代表系統。這種抽象模型的價值是能夠抓住復雜系統的一些關鍵特征，也就是以主要方面代表全部的思想，用這些關鍵特征的部分表達整體，為了得出準確或基本準確的解。通過對復雜問題的模型簡化處理得到的解析答案，研究者為簡化復雜問題提出了假設理想化條件下的因素，在有了透徹的認識后，在理論上探討它的可能性，并且用這些基礎的認知研究解決在實際的、真實條件下的有類似特征的復雜體系問題。這些簡化近似的理想模型還能作為新概念的孵化器，以及檢驗其理論效果，在實驗室中模擬驗證。事實上，從伽利略提出無摩擦的光滑斜面的例子說明，通過進行審慎的理想化，科學已經獲得了巨大進步。

基于上述認知，科學推理的每一步都包含著理想化和近似，解答過程中采用的許多近似實質上都是專業性的，它們有助于問題的表述和求解，從而得出具體情況下的結果。以此，《化學反應工程》中無論設計或操作，都需要對研究對象做出定量的描述，即設計時，確定反應器尺寸（反應所需空間）—設計方程；操作時，確定操作參數值（反應操作條件）—操作方程。面對工業反應器中不僅有化學反應過程發生，還包括流動、混合、傳質、傳熱等物理過程，解決這一復雜系統問題的方法是把生產實踐中千變萬化的各種反應器的實際反應過程理想化，減少混合和流動帶來傳遞過程對反應影響的不確定性，建立理想反應器模型。理想反應器模型有間歇釜式反應器（BSTR）、穩態全混流反應器（CSTR）和平推流管式反應器（PFR），這三類代表了一個工業反應過程開發，就其核心問題而言需要解決的三方面問題：反應器的合理選型、反應器操作的優選條件和反應器體積及工程放大，在選型上以管式、釜式為代表與間歇操作和連續操作的組合，以及在理想混合和反應器內流體流動的兩種極端流動狀態平推流和全混流下建立的三種理想反應器，實現理想反應器的設計。

（2）模型修正。模型是把一個復雜系統的幾個主要因素一致的突現出來，剩下的因素并非被拋棄。他們繼續為整體的直觀認識服務。模型的價值在于它能精確地闡明問題，但在精確性、范圍和真實性之間還有一個差別。每個模型代表的只是對事物的一個不完整的、部分的認識。模型會有不同的理想化，或者篩選出不同的關鍵因素，但最終研究是在理想化基礎上解決對更現實、更難處理條件下類似特征的實際問題，即對理想模型進行修正。

基于上述思想，以理想氣體模型解決真實氣體溫度、壓力和體積關系為例，說明模型法解決問題的方法。建立了理想氣體的物理模型，氣體不同于液、固體的特征分子間距大、單個分子體積小的特征，描述了一個忽略分子自身體積大小和分子間距大到沒有作用力的實際不存在的模型狀態，但可用無限接近理想氣體狀態的實際狀態表達，對各種真實氣體可近似理想氣體計算pVT關系，模型化法建立理想氣體狀態方程。至于多大壓力范圍可以使用理想氣體狀態方程計算pVT關系尚無明確的界限，在應用時取決于對計算結果的要求精度及氣體的種類和性質等。目前，許多描述真實氣體行為的狀態方程大多是引入參數來修正的方法，計算真實氣體和理想氣體的偏差來提高計算精度。

同理思維，實現了理想反應器的設計，《化學反應工程》接下來要解決實際反應器的模型化法計算。由于理想反應器是在理想流動的前提條件下建立，解決實際反應器的計算就從非理想流動模型著手，建立單參數的多釜串聯模型和軸向擴散模型。普遍應用的技巧是簡化后要正確反映模擬對象的物理實質的模型，且模型參數一般不應超過兩個，以使所建立的數學模型應便于數學處理。利用模型參數對理想流動模型進行修正，引入或者是將理想流動模型與滯留區、溝流和短路等作不同組合，實現了實際反應器計算。在實際工業反應器設計計算中，為了考慮非理想流動的影響，一般總是基于對一個反應進行過程中實際的流動狀況，選擇一個較切合實際的合理簡化的非理想流動模型，如釜式反應器型式的，一般按多釜串聯模型求解，通過單釜、多釜反應器測定停留時間分布數據確定停留時間的統計特征值，然后計算模型參數，最后結合反應動力學數據來估算反應結果。

3.示例分析與效果

本文以某一已建立動力學方程的反應體系，確定了最佳的操作條件，如何選擇合適的反應器型式，在原料處理量及組成、反應壓力和溫度，以及最終轉化率相同的情況下，比較不同型式反應器的反應體積大小。此題的解決必須清楚，生產實踐中千變萬化的各種反應器的實際反應過程是復雜的研究對象，解決的方法必須理想化，以簡化反應器的設計。根據反應器內流體流動的兩種極端流動狀態而建立兩種理想流動模型和工業反應器的操作方式，設立三種理想反應器模型：間歇釜式反應器（BSTR）、全混流釜式反應器（CSTR）、平推流管式反應器（PFR），依其各自的特征，對反應物而言，在單位時間內對反應器在控制體積范圍內作物料衡算，通用的表達式為：

式中，rA—反應物A的反應速率，kmol/(m3·h)；

Vr,?、Vr,?、Vr,?—三種理想反應器的有效體積，m3；

Q0—單位時間處理量，m3/h；

CA0—初始反應物濃度，kmol/m3。

列出物料衡算式，推導并計算出不同反應器所需的反應體積。先完成理想反應器設計計算，再結合反應是否需要催化劑、均相和非均相、物料狀態、等溫控制還是變溫、是否變容、壓力及偏離理想流動情況等因素，需進一步處理、優化及對理想簡化的修正，解決方法基本同出一轍，如反應機理模型、理想流動模型、理想反應器模型、非理想反應器模型、擬均相模型等。對這一方法的多次利用，有助于同學理解復雜對象、簡化處理方法、解決問題學習、應用及深度理解。這種學為用，教學效果明顯提升。圖1是教學改進前后塔里木大學課程試卷分析表學生成績分布圖。

圖1 學生成績分布圖

4.結論

在教學過程中，通過對反應工程學科研究“對象、方法”的學習深入理解，培養學生具備復雜系統的理論構架以解決實際問題時如何建立創新思維。以“中國在氫彈原理突破中解決了一系列基礎問題，提出了從原理到構形基本完整的設想，起了關鍵作用”為例，以此來激勵學生重視如何構建模型和模型化法理論學習的重要性。

《化學反應工程》中涉及模型建立的知識點較多，問題的解決幾乎離不開模型的構建及模型化法的運用。通過對復雜對象的理想化和模型化及修正的解決方法分析，培養學生逐步從具體向抽象過渡，從形象思維向邏輯思維轉換，實現打破學科邊界，是實現高素質工程人才培養目標的有利保障。