化學(xué)反應(yīng)工程的應(yīng)用及其課程教學(xué)改革

【摘 要】本文介紹了化學(xué)反應(yīng)工程在化工工程中的應(yīng)用，并闡述了化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)改進(jìn)的方法，提出了強(qiáng)化計(jì)算機(jī)的應(yīng)用、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的改革之路。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)反應(yīng)工程 應(yīng)用 教學(xué)改革

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2013）16-0056-02

化學(xué)反應(yīng)工程是一門涉及高等數(shù)學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué)、化工傳遞過程、化工分析與合成等多學(xué)科、多領(lǐng)域的科學(xué)，也是一門研究化學(xué)反應(yīng)的工程問題的學(xué)科?；瘜W(xué)反應(yīng)工程是我?；瘜W(xué)工程與工藝本?？频暮诵恼n程，目的是將實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)可靠地移植到工業(yè)生產(chǎn)中，并且就所確定的反應(yīng)與預(yù)期的生產(chǎn)能力對(duì)反應(yīng)器的形狀、尺寸及操作方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其應(yīng)用遍及化學(xué)、石油化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)藥、冶金及輕工業(yè)等許多工業(yè)部門。

一 化學(xué)反應(yīng)工程在化工工程中的應(yīng)用

1.化工工程是否具有可行性是一個(gè)最直接、最根本的問題，而解決這一問題的基礎(chǔ)是先要了解各反應(yīng)的速率

對(duì)于具有工程意義的系統(tǒng)來說，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)無法用理論計(jì)算，而必須通過實(shí)驗(yàn)來確定。所謂的反應(yīng)進(jìn)行分析，即通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)并對(duì)之進(jìn)行數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，從而獲得反應(yīng)速度方程。因?yàn)榇蠖鄶?shù)重要的工業(yè)反應(yīng)都不是在充分混合的均相中進(jìn)行的，傳熱和傳質(zhì)過程對(duì)這些反應(yīng)的進(jìn)行也有相當(dāng)大的影響。因此，傳遞過程動(dòng)力學(xué)與化學(xué)動(dòng)力學(xué)的共同作用在化學(xué)反應(yīng)工程中具有非常重要的意義。

化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)中的動(dòng)力學(xué)就是專門闡明化學(xué)反應(yīng)速度與各個(gè)物理因素之間的定量關(guān)系。有些從熱力學(xué)分析認(rèn)為可行的，如常壓、低溫合成氨，由于速度太慢而實(shí)際上是不可行的，只有研究出好的催化劑才能在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο乱燥@著速度進(jìn)行反應(yīng)，這就是動(dòng)力學(xué)的問題。還有一些過程，從熱力學(xué)分析認(rèn)為是不當(dāng)?shù)?，如甲烷裂解制乙炔，?500℃左右的高溫下，乙炔極不穩(wěn)定，最終似乎只可以得到碳和氫。但如果使它在極短時(shí)間（如0.001秒）內(nèi)反應(yīng)并立刻淬冷到低溫，那就能獲得乙炔，工業(yè)上也就是這樣來實(shí)施的，所以在實(shí)際應(yīng)用上起決定性作用的往往是動(dòng)力學(xué)因素。為了實(shí)現(xiàn)某一反應(yīng)，需要選定合適的條件、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式以及確定反應(yīng)器的尺寸和處理能力等，這些都緊緊依賴于對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)。動(dòng)力學(xué)是反應(yīng)工程的一個(gè)重要基礎(chǔ)，更是化工工程的一個(gè)重要基礎(chǔ)。

2.化工工程需要工業(yè)反應(yīng)器，而反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與計(jì)算、開發(fā)與放大是化學(xué)反應(yīng)工程的一個(gè)重要內(nèi)容

盡管各種產(chǎn)品有不同的生產(chǎn)過程，但作為化工生產(chǎn)的核心——化學(xué)反應(yīng)器是必不可少的。各種不同類型的化學(xué)反應(yīng)器具有不同的反應(yīng)工程性質(zhì)，因?yàn)樵谶@些反應(yīng)器中的流體力學(xué)及熱力學(xué)狀況可能完全不同。這就要求在進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，要以質(zhì)量、能量及動(dòng)量的基本守恒方程式為基礎(chǔ)。除了化學(xué)動(dòng)力學(xué)以及質(zhì)量和熱量的交換外，反應(yīng)器中的流體力學(xué)及溫度變化類型對(duì)于反應(yīng)器的生產(chǎn)能力也會(huì)產(chǎn)生影響。

工業(yè)裝置上采用的反應(yīng)條件，不一定與小試或中試的一致。如在實(shí)驗(yàn)室的小裝置內(nèi)，反應(yīng)器的直徑很小，床層也薄，一般又常以氣體通過床層的空間速度作為反應(yīng)條件的一種標(biāo)志。但在放大后，床層的高徑比往往就不一樣了。如要保持相同的空間速度，線速度就需改變，而線速度的大小又影響到壓降、流體的混合和傳熱等情況，從而導(dǎo)致反應(yīng)的結(jié)果不再與小試相同。又如，在小裝置中進(jìn)行某些放熱反應(yīng)時(shí)，溫度容易控制，但在大裝置中，傳熱和控溫往往成為頭等難題，甚至根本不可能達(dá)到與小裝置相同的溫度條件，所有這些導(dǎo)致出現(xiàn)“放大效應(yīng)”。因此，工業(yè)裝置的反應(yīng)條件必須結(jié)合工程上的考慮才能最合理地確定。在化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科建立以前，工業(yè)界廣泛采用的方法是逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的方法，中間試驗(yàn)往往耗資大、歷時(shí)久?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)科建立以后，逐步形成一套新的數(shù)學(xué)模型方法。目前，逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大和數(shù)學(xué)模型兩種方法同時(shí)并存，各有適用范圍，但是，即使是逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大的方法，也常是以化學(xué)反應(yīng)工程的理論為指導(dǎo)，而不再是純經(jīng)驗(yàn)性的了。

3.工業(yè)反應(yīng)過程的優(yōu)化操作以及反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)是反應(yīng)工程在工業(yè)方面的重要應(yīng)用

化工產(chǎn)品只有在反應(yīng)器中才能產(chǎn)生，想提高產(chǎn)品的產(chǎn)量必然要對(duì)反應(yīng)器的操作條件進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)際工業(yè)反應(yīng)過程未必在最優(yōu)的條件下操作，即使設(shè)計(jì)是優(yōu)化的，在實(shí)施時(shí)往往有許多難以預(yù)料的因素，使原定的優(yōu)化設(shè)計(jì)條件在實(shí)際操作中未必是優(yōu)化的。運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)工程理論對(duì)現(xiàn)行的工業(yè)反應(yīng)過程進(jìn)行分析，結(jié)合模擬研究，可找出薄弱環(huán)節(jié)和進(jìn)一步調(diào)優(yōu)的方向，通過調(diào)節(jié)和改造以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。由此可知，在化工工程中，老廠的增產(chǎn)挖潛、新廠的設(shè)計(jì)、新工藝、新產(chǎn)品以及新設(shè)備的付諸實(shí)踐，化學(xué)反應(yīng)工程都起著重要的指導(dǎo)作用。反應(yīng)工程的理論為新反應(yīng)器和新反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)指明了方向，研究者可據(jù)此尋找合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作方法。近年來出現(xiàn)的新的石油化工裂解技術(shù)和各種新型技術(shù)，都得益于反應(yīng)工程理論的指導(dǎo)。在工業(yè)應(yīng)用中，在定性指導(dǎo)方面已發(fā)揮了很大的作用。但是，與理論研究相比，反應(yīng)器內(nèi)傳遞過程的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)積累還很薄弱，特別是對(duì)于化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的多相流動(dòng)體系的研究還不足。因此，反應(yīng)工程的研究需要與多相流體力學(xué)和多相傳遞過程的研究相結(jié)合，以便相輔相成。同時(shí)，化學(xué)反應(yīng)工程向生化、冶金等領(lǐng)域擴(kuò)展時(shí)還會(huì)出現(xiàn)新問題，這就需要進(jìn)一步的研究。

二 化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)改革

針對(duì)目前的高校教學(xué)，我認(rèn)為在此門課程教學(xué)與學(xué)習(xí)中應(yīng)對(duì)以下幾方面進(jìn)行加強(qiáng)：

1.強(qiáng)化計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

氣固相催化反應(yīng)器是用數(shù)學(xué)模型法設(shè)計(jì)計(jì)算最成功的實(shí)

例之一，常用擬均相模型求解。對(duì)擬均相一維模型可以得到微分方程組，此微分方程組可以用數(shù)值法求解，常用的數(shù)值法有歐拉法、改進(jìn)歐拉法、龍格—庫塔法等。另外要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)“化工計(jì)算機(jī)應(yīng)用”的課程內(nèi)容，采用VB計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程，對(duì)各種計(jì)算方法、邊界條件、步長(zhǎng)等進(jìn)行比較，使計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

2.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

如返混是不同停留時(shí)間的物料混合，返混降低了反應(yīng)器中反應(yīng)物料濃度，影響反應(yīng)速度、轉(zhuǎn)化率及選擇性，所以返混對(duì)化學(xué)反應(yīng)結(jié)果影響特別大。通過開設(shè)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，可以從中看到返混對(duì)反應(yīng)物濃度的影響及停留時(shí)間分布的特征，反應(yīng)器的空速等操作條件對(duì)返混程度的影響，對(duì)串聯(lián)全混釜模型與軸向分散模型有了深刻的理解。根據(jù)流動(dòng)模型參數(shù)，結(jié)合在其中進(jìn)行反應(yīng)的特征參數(shù)，計(jì)算或預(yù)測(cè)非理想流動(dòng)狀態(tài)下反應(yīng)實(shí)際可達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。

3.與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合

本課程以工業(yè)反應(yīng)過程及反應(yīng)器設(shè)備為研究對(duì)象，安排學(xué)生到工廠實(shí)習(xí)，這對(duì)本課程的學(xué)習(xí)非常重要。我們連續(xù)幾年安排學(xué)生到中石化茂名分公司實(shí)習(xí)，在實(shí)習(xí)前，我們要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)“石油煉制工藝學(xué)”課程內(nèi)容，并針對(duì)自己實(shí)習(xí)的車間查閱相關(guān)資料，了解反應(yīng)原料組成和來源；掌握裝置的反應(yīng)過程原理和工藝條件，熟悉裝置的設(shè)備。在實(shí)習(xí)基地先組織聽取技術(shù)人員的安全知識(shí)講座。然后在實(shí)習(xí)中了解主要裝置的工藝流程，熟悉現(xiàn)場(chǎng)的管線——泵——反應(yīng)器——儲(chǔ)罐等的走向，認(rèn)清部分工藝的簡(jiǎn)易流程，了解化工生產(chǎn)中所用到的各類反應(yīng)器、換熱器、罐及輔助設(shè)備等，使學(xué)生對(duì)各類反應(yīng)過程及所涉及的設(shè)備有感性認(rèn)識(shí)。通過進(jìn)廠實(shí)習(xí)也進(jìn)一步證明理論與實(shí)踐密不可分，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。

三 結(jié)論

化學(xué)反應(yīng)工程是一門工程類學(xué)科，與工程實(shí)際緊密聯(lián)系，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)。課程改革通過結(jié)合現(xiàn)代教學(xué)方法與手段，引入專業(yè)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)了學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力及工程意識(shí)，提高了分析、解決工程問題的能力，適應(yīng)了新世紀(jì)人才培養(yǎng)模式的需求。

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〔責(zé)任編輯：李冰〕