強化三種意識 提高學生綜合能力

王桂榮　趙新強　侯凱湖　王桂赟

摘要：化學反應工程是化工類專業的核心課程，它對于培養學生的化學反應工程基本理論、強化工程分析能力都具有十分重要的作用。本文針對化學反應工程課程的特點，探討了培養學生應用理論知識，分析和解決實際工程問題的重要性及相應教學方法。強調要強化學生的工程意識、安全意識以及經濟意識，使學生通過該課程的學習不僅僅熟悉化學反應工程的基本理論，更應該提高分析和解決工程實際問題的綜合能力。

關鍵詞：化學反應工程；工程意識；安全意識；經濟意識

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）16-0159-02

化學反應工程課程是一門涉及物理化學、化工熱力學、化工原理、優化與控制等知識領域，內容新穎而難點較多的專業基礎課，是理論性、綜合性和工程性都很強的課程，是化學工程與工藝專業的核心課程。該課程對于培養學生的工程能力，提高學生分析、解決實際工程問題的綜合能力具有十分重要的作用。化學反應工程的研究對象是工業反應過程，其基本內容包括反應動力學和反應器設計與分析兩大部分。工業反應過程中的動力學不僅包含反應的本征動力學，還涉及工業反應過程中的流動、傳熱及傳質；反應器設計與分析，不僅要進行反應器結構設計、反應體積計算，還要根據工藝過程的特點和工程實際情況，進行最優操作條件確定、最佳工況分析控制等。此外，該課程還涉及到工藝過程的安全性和經濟性。由此看來，該課程的內容涉及多門學科、交叉性強。因此，教師在課堂教學中，不僅要向學生傳授化學反應工程的基礎知識，還要潛移默化地強化學生的工程意識、安全意識以及經濟意識，提高學生分析問題和解決問題的綜合能力，使學生畢業后能夠學以致用，更好地適應社會需要，成為高素質的化工技術人才。

一、工程意識的強化

作為一門工程性很強的課程，讓學生建立起工程觀念和掌握解決工程問題的方法顯得尤為重要。作為教師，在課堂教學過程中，應結合課程的具體內容，系統地闡述、剖析和總結所涉及的工程實際問題，給學生以啟迪和引導，強化學生的工程實踐意識。化工過程的工程性尤其表現在實際問題上，往往涉及多種工程因素，各種因素之間存在著交互影響。在處理問題時常采取合理的近似，抓住主要矛盾，揭示過程的基本規律，以指導解決工程問題。例如，氣固相催化反應過程的宏觀反應速率，不僅受到反應物濃度、溫度等的影響，還受到催化劑結構以及傳質、傳熱等因素的影響。反應工程采用的處理方法是：引入內擴散有效因子來反映催化劑顆粒內傳遞過程對反應的影響，用曲折因子描述催化劑內復雜的孔結構，對球型或無限長圓柱或薄片催化劑建立其內擴散的一維模型，從而得到等溫一級不可逆反應內擴散有效因子的解析。由此可以揭示內擴散過程的基本規律，表明宏觀反應速率與本征反應以及內、外擴散之間的關系，給工業催化劑顆粒大小、形狀和結構設計指明方向。工程問題的研究往往是從理想化模型入手，然后再一步步深化到復雜的實際問題。例如，對連續流動反應器的設計計算，首先從兩種理想情況——全混流反應器（CSTR）和活塞流反應器（PFR）入手，建立其理想化的模型方程，對模型方程進行求解計算。但是，并不是所有的連續釜式反應器都具有CSTR的特性，也不是所有的管式反應器都符合PFR的假設。要計算非理想流動反應器的轉化率及收率，應該依據反應器的停留時間分布，采用對理想流動模型進行修正，或者是將理想流動模型與滯留區、溝流、短路等作不同組合的方法，建立適宜的流動模型，然后進行求解計算。由理想流動模型到非理想流動模型設計計算的轉變，學生往往不易接受和掌握，這是在授課過程中尤其要強調的。對工業反應過程進行研究，要注重將對過程中本征化學反應的研究以及對過程中諸如返混、傳質、傳熱等物理過程的研究相結合，即將化學因素和工程因素相結合，進行綜合分析，指導反應器設計及操作。例如，對于中間產物P為目的產物的連串反應：A→P→Q，要提高目的產物P的選擇性，需要在較高的反應物A濃度和較低的中間產物P濃度下進行。而反應器中的返混會造成反應物濃度普遍降低、生成物濃度普遍升高，因此返混對該連串反應是不利的。采用連續操作時，應該選擇接近活塞流的管式反應器，或接近全混流的多級釜式反應器串聯；在加料方式上，分段或分批加料會使反應器中A濃度下降，不利于P選擇性的提高。諸如此類化學因素與工程因素的結合，往往是學生的薄弱環節，應通過教學過程中多個類似事例的分析總結，逐步強化學生的工程意識，提高綜合分析能力。

二、安全意識的強化

化工生產一般都具有易燃、易爆、易中毒等特點，大型化工企業生產過程多具有工藝復雜、連續性強、安全隱患多的特點，一旦發生事故則波及面廣、影響范圍大、后果嚴重。安全生產要貫穿于生產的全過程，從項目的設計、施工、安裝到竣工驗收、試運轉、投入生產，各個環節都應以安全為前提。在課堂教學過程中，要強化安全意識，使學生懂得安全與生產技術密切相關，設備設計計算、操作條件的確立和優化必須以安全為主。在講授到反應器的飛溫及參數敏感性時，尤其要強調安全的重要性，一個設計合理的反應器必須在穩定而又不敏感的狀態下操作。許多石油化工產品的生產采用催化氧化工藝，例如，乙烯在銀催化劑上氧化合成環氧乙烷是強放熱復合反應，主要副反應是深度氧化生成二氧化碳和水，副反應的熱效應和活化能都大于主反應，一旦反應溫度超過某一數值，副反應加劇，溫度劇烈升高，又加劇了深度氧化副反應，造成系統溫度迅速升高的飛溫現象，控制不當，會引起爆炸。另外，在實際工業過程中，各種工藝參數如進料溫度、進料濃度、進料流量、冷卻介質溫度和空速等不可避免地存在著擾動，如果在參數敏感區域操作，微小的波動就可能導致“熱點”溫度發生很大的變化，甚至造成飛溫和事故。對于具有強放熱深度氧化副反應的有機物催化氧化反應，這一點必須重視[1]。因此，在反應器設計及操作中，應首先考慮穩定性和參數敏感性條件的限制，這是關系到生產安全的大問題。在講授反應器熱穩定性內容時，涉及到著火點與熄火點，教師應引導學生分析著火與熄火現象對反應器操作控制的重要性，特別是開停工的時候尤其應該重視。例如，在熄火點附近操作時，操作條件稍有波動，則易產生降溫以致溫度過低，會造成反應速率降低甚至終止反應。操作溫度若是在著火點附近，進料溫度稍有改變，便會產生超溫，可能出現燒壞催化劑或者發生爆炸事故[2]。因此，從設備設計到操作條件的確定，都應以安全作為前提。從課程學習階段就培養學生的安全意識尤為重要。

三、經濟意識的強化

一種化工產品的獲得常常有多種途徑，不同途徑所消耗的資源是不同的。對于確定的工藝路徑，如果所采用反應器的型式、操作條件、催化劑結構等不同，所消耗的人力、物力、財力等就會有相當大的差別。因此，要對化工過程進行優化，即在滿足安全（如爆炸限、催化劑、設備材質的耐溫極限）、環保（如有害物質的最高排放量）、產品質量等方面的前提下，尋求能達到最經濟的過程結構、設備型式和設備尺寸以及操作條件。反應器的操作狀況對化工生產過程的技術經濟指標往往具有決定性的影響，而經濟指標歸根結底又是由技術指標決定的[3]。化工工藝人員進行化工設計的主要任務就是根據工藝過程的特點，確定設備型式和設備尺寸、最佳操作條件等內容。因此，對學生進行經濟意識的強化是很有必要的。在工藝條件的確定方面所涉及到的基礎知識，學生一般都學過，關鍵是不知何時用或者如何應用，不會綜合分析，這就需要教師多用事例進行分析說明，使之潛移默化地逐漸掌握。例如，關于氣固相催化反應最佳操作壓力的確定：反應壓力影響工藝過程的動力消耗以及設備投資，最佳操作壓力的大小與工藝過程的特點、催化劑的活性溫度等有關。①從能耗上看：壓力大小將影響原料氣壓縮功、循環氣壓縮功以及產品分離的功消耗。②從催化劑活性溫度來看：對于體積減小、可逆放熱的氣固相催化反應，壓力升高，對平衡有利，溫度升高對平衡不利。但若由于催化劑溫度范圍的限制，必須達到一定的反應溫度，則只能用提高壓力，以提高平衡常數來達到較高出口轉化率的要求。此時，其后續分離過程、循環過程有可能簡化，以降低設備費用及操作成本。因此，最佳操作壓力的高低，應綜合考慮多種因素，按著總體經濟效果最優的原則來確定。又比如，對氣固相催化反應，固體催化劑顆粒尺寸（相當直徑ds）是一個重要參數，它影響到宏觀反應速率和反應器壓降。如ds小，則內擴散影響小，宏觀反應速率高，催化劑用量減少。但ds小，床層空隙率低，對于體積流速一定的氣體通過床層時的壓力增大，從而增加過程的動力消耗。因此，ds的大小，要考慮到氣流、床層特性以及其他具體情況，綜合分析來確定。

在化學反應工程課堂教學中，教師不僅要向學生傳授化學反應工程的基礎知識，更應該通過對具體事例的分析，啟發學生認識工程問題的特點，掌握將基礎理論應用于解決實際工程問題的方法；使學生意識到工藝過程的設計計算、操作條件的確立要以安全生產為前提；要學會按著工藝過程的特點進行綜合分析，以確定工藝過程的技術指標，使工藝過程更加經濟可行。總之，要強化學生的工程意識、安全意識以及經濟意識，培養學生分析問題、解決問題的綜合能力，使學生畢業后能夠學以致用，很快地滿足工作需要。

參考文獻：

[1]朱炳辰.化學反應工程[M].北京：化學工業出版社，2007：167.

[2]李紹芬.反應工程[M].北京：化學工業出版社，2000：90.

[3]朱開宏.工業反應過程分析導論[M].北京：中國石化出版社，2003：79.