強(qiáng)化三種意識 提高學(xué)生綜合能力

王桂榮　趙新強(qiáng)　侯凱湖　王桂赟

摘要：化學(xué)反應(yīng)工程是化工類專業(yè)的核心課程，它對于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)反應(yīng)工程基本理論、強(qiáng)化工程分析能力都具有十分重要的作用。本文針對化學(xué)反應(yīng)工程課程的特點，探討了培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識，分析和解決實際工程問題的重要性及相應(yīng)教學(xué)方法。強(qiáng)調(diào)要強(qiáng)化學(xué)生的工程意識、安全意識以及經(jīng)濟(jì)意識，使學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)不僅僅熟悉化學(xué)反應(yīng)工程的基本理論，更應(yīng)該提高分析和解決工程實際問題的綜合能力。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程；工程意識；安全意識；經(jīng)濟(jì)意識

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

化學(xué)反應(yīng)工程課程是一門涉及物理化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工原理、優(yōu)化與控制等知識領(lǐng)域，內(nèi)容新穎而難點較多的專業(yè)基礎(chǔ)課，是理論性、綜合性和工程性都很強(qiáng)的課程，是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程。該課程對于培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，提高學(xué)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?；瘜W(xué)反應(yīng)工程的研究對象是工業(yè)反應(yīng)過程，其基本內(nèi)容包括反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計與分析兩大部分。工業(yè)反應(yīng)過程中的動力學(xué)不僅包含反應(yīng)的本征動力學(xué)，還涉及工業(yè)反應(yīng)過程中的流動、傳熱及傳質(zhì)；反應(yīng)器設(shè)計與分析，不僅要進(jìn)行反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計、反應(yīng)體積計算，還要根據(jù)工藝過程的特點和工程實際情況，進(jìn)行最優(yōu)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(jīng)濟(jì)性。由此看來，該課程的內(nèi)容涉及多門學(xué)科、交叉性強(qiáng)。因此，教師在課堂教學(xué)中，不僅要向?qū)W生傳授化學(xué)反應(yīng)工程的基礎(chǔ)知識，還要潛移默化地強(qiáng)化學(xué)生的工程意識、安全意識以及經(jīng)濟(jì)意識，提高學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力，使學(xué)生畢業(yè)后能夠?qū)W以致用，更好地適應(yīng)社會需要，成為高素質(zhì)的化工技術(shù)人才。

一、工程意識的強(qiáng)化

作為一門工程性很強(qiáng)的課程，讓學(xué)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(xué)過程中，應(yīng)結(jié)合課程的具體內(nèi)容，系統(tǒng)地闡述、剖析和總結(jié)所涉及的工程實際問題，給學(xué)生以啟迪和引導(dǎo)，強(qiáng)化學(xué)生的工程實踐意識?；み^程的工程性尤其表現(xiàn)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(guī)律，以指導(dǎo)解決工程問題。例如，氣固相催化反應(yīng)過程的宏觀反應(yīng)速率，不僅受到反應(yīng)物濃度、溫度等的影響，還受到催化劑結(jié)構(gòu)以及傳質(zhì)、傳熱等因素的影響。反應(yīng)工程采用的處理方法是：引入內(nèi)擴(kuò)散有效因子來反映催化劑顆粒內(nèi)傳遞過程對反應(yīng)的影響，用曲折因子描述催化劑內(nèi)復(fù)雜的孔結(jié)構(gòu)，對球型或無限長圓柱或薄片催化劑建立其內(nèi)擴(kuò)散的一維模型，從而得到等溫一級不可逆反應(yīng)內(nèi)擴(kuò)散有效因子的解析。由此可以揭示內(nèi)擴(kuò)散過程的基本規(guī)律，表明宏觀反應(yīng)速率與本征反應(yīng)以及內(nèi)、外擴(kuò)散之間的關(guān)系，給工業(yè)催化劑顆粒大小、形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)雜的實際問題。例如，對連續(xù)流動反應(yīng)器的設(shè)計計算，首先從兩種理想情況——全混流反應(yīng)器（CSTR）和活塞流反應(yīng)器（PFR）入手，建立其理想化的模型方程，對模型方程進(jìn)行求解計算。但是，并不是所有的連續(xù)釜式反應(yīng)器都具有CSTR的特性，也不是所有的管式反應(yīng)器都符合PFR的假設(shè)。要計算非理想流動反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率及收率，應(yīng)該依據(jù)反應(yīng)器的停留時間分布，采用對理想流動模型進(jìn)行修正，或者是將理想流動模型與滯留區(qū)、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(jìn)行求解計算。由理想流動模型到非理想流動模型設(shè)計計算的轉(zhuǎn)變，學(xué)生往往不易接受和掌握，這是在授課過程中尤其要強(qiáng)調(diào)的。對工業(yè)反應(yīng)過程進(jìn)行研究，要注重將對過程中本征化學(xué)反應(yīng)的研究以及對過程中諸如返混、傳質(zhì)、傳熱等物理過程的研究相結(jié)合，即將化學(xué)因素和工程因素相結(jié)合，進(jìn)行綜合分析，指導(dǎo)反應(yīng)器設(shè)計及操作。例如，對于中間產(chǎn)物P為目的產(chǎn)物的連串反應(yīng)：A→P→Q，要提高目的產(chǎn)物P的選擇性，需要在較高的反應(yīng)物A濃度和較低的中間產(chǎn)物P濃度下進(jìn)行。而反應(yīng)器中的返混會造成反應(yīng)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(yīng)是不利的。采用連續(xù)操作時，應(yīng)該選擇接近活塞流的管式反應(yīng)器，或接近全混流的多級釜式反應(yīng)器串聯(lián)；在加料方式上，分段或分批加料會使反應(yīng)器中A濃度下降，不利于P選擇性的提高。諸如此類化學(xué)因素與工程因素的結(jié)合，往往是學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)通過教學(xué)過程中多個類似事例的分析總結(jié)，逐步強(qiáng)化學(xué)生的工程意識，提高綜合分析能力。

二、安全意識的強(qiáng)化

化工生產(chǎn)一般都具有易燃、易爆、易中毒等特點，大型化工企業(yè)生產(chǎn)過程多具有工藝復(fù)雜、連續(xù)性強(qiáng)、安全隱患多的特點，一旦發(fā)生事故則波及面廣、影響范圍大、后果嚴(yán)重。安全生產(chǎn)要貫穿于生產(chǎn)的全過程，從項目的設(shè)計、施工、安裝到竣工驗收、試運(yùn)轉(zhuǎn)、投入生產(chǎn)，各個環(huán)節(jié)都應(yīng)以安全為前提。在課堂教學(xué)過程中，要強(qiáng)化安全意識，使學(xué)生懂得安全與生產(chǎn)技術(shù)密切相關(guān)，設(shè)備設(shè)計計算、操作條件的確立和優(yōu)化必須以安全為主。在講授到反應(yīng)器的飛溫及參數(shù)敏感性時，尤其要強(qiáng)調(diào)安全的重要性，一個設(shè)計合理的反應(yīng)器必須在穩(wěn)定而又不敏感的狀態(tài)下操作。許多石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)采用催化氧化工藝，例如，乙烯在銀催化劑上氧化合成環(huán)氧乙烷是強(qiáng)放熱復(fù)合反應(yīng)，主要副反應(yīng)是深度氧化生成二氧化碳和水，副反應(yīng)的熱效應(yīng)和活化能都大于主反應(yīng)，一旦反應(yīng)溫度超過某一數(shù)值，副反應(yīng)加劇，溫度劇烈升高，又加劇了深度氧化副反應(yīng)，造成系統(tǒng)溫度迅速升高的飛溫現(xiàn)象，控制不當(dāng)，會引起爆炸。另外，在實際工業(yè)過程中，各種工藝參數(shù)如進(jìn)料溫度、進(jìn)料濃度、進(jìn)料流量、冷卻介質(zhì)溫度和空速等不可避免地存在著擾動，如果在參數(shù)敏感區(qū)域操作，微小的波動就可能導(dǎo)致“熱點”溫度發(fā)生很大的變化，甚至造成飛溫和事故。對于具有強(qiáng)放熱深度氧化副反應(yīng)的有機(jī)物催化氧化反應(yīng)，這一點必須重視[1]。因此，在反應(yīng)器設(shè)計及操作中，應(yīng)首先考慮穩(wěn)定性和參數(shù)敏感性條件的限制，這是關(guān)系到生產(chǎn)安全的大問題。在講授反應(yīng)器熱穩(wěn)定性內(nèi)容時，涉及到著火點與熄火點，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析著火與熄火現(xiàn)象對反應(yīng)器操作控制的重要性，特別是開停工的時候尤其應(yīng)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(chǎn)生降溫以致溫度過低，會造成反應(yīng)速率降低甚至終止反應(yīng)。操作溫度若是在著火點附近，進(jìn)料溫度稍有改變，便會產(chǎn)生超溫，可能出現(xiàn)燒壞催化劑或者發(fā)生爆炸事故[2]。因此，從設(shè)備設(shè)計到操作條件的確定，都應(yīng)以安全作為前提。從課程學(xué)習(xí)階段就培養(yǎng)學(xué)生的安全意識尤為重要。

三、經(jīng)濟(jì)意識的強(qiáng)化

一種化工產(chǎn)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(yīng)器的型式、操作條件、催化劑結(jié)構(gòu)等不同，所消耗的人力、物力、財力等就會有相當(dāng)大的差別。因此，要對化工過程進(jìn)行優(yōu)化，即在滿足安全（如爆炸限、催化劑、設(shè)備材質(zhì)的耐溫極限）、環(huán)保（如有害物質(zhì)的最高排放量）、產(chǎn)品質(zhì)量等方面的前提下，尋求能達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的過程結(jié)構(gòu)、設(shè)備型式和設(shè)備尺寸以及操作條件。反應(yīng)器的操作狀況對化工生產(chǎn)過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)往往具有決定性的影響，而經(jīng)濟(jì)指標(biāo)歸根結(jié)底又是由技術(shù)指標(biāo)決定的[3]?；すに嚾藛T進(jìn)行化工設(shè)計的主要任務(wù)就是根據(jù)工藝過程的特點，確定設(shè)備型式和設(shè)備尺寸、最佳操作條件等內(nèi)容。因此，對學(xué)生進(jìn)行經(jīng)濟(jì)意識的強(qiáng)化是很有必要的。在工藝條件的確定方面所涉及到的基礎(chǔ)知識，學(xué)生一般都學(xué)過，關(guān)鍵是不知何時用或者如何應(yīng)用，不會綜合分析，這就需要教師多用事例進(jìn)行分析說明，使之潛移默化地逐漸掌握。例如，關(guān)于氣固相催化反應(yīng)最佳操作壓力的確定：反應(yīng)壓力影響工藝過程的動力消耗以及設(shè)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(guān)。①從能耗上看：壓力大小將影響原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功以及產(chǎn)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(yīng)，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(dá)到一定的反應(yīng)溫度，則只能用提高壓力，以提高平衡常數(shù)來達(dá)到較高出口轉(zhuǎn)化率的要求。此時，其后續(xù)分離過程、循環(huán)過程有可能簡化，以降低設(shè)備費用及操作成本。因此，最佳操作壓力的高低，應(yīng)綜合考慮多種因素，按著總體經(jīng)濟(jì)效果最優(yōu)的原則來確定。又比如，對氣固相催化反應(yīng)，固體催化劑顆粒尺寸（相當(dāng)直徑ds）是一個重要參數(shù)，它影響到宏觀反應(yīng)速率和反應(yīng)器壓降。如ds小，則內(nèi)擴(kuò)散影響小，宏觀反應(yīng)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(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)中，教師不僅要向?qū)W生傳授化學(xué)反應(yīng)工程的基礎(chǔ)知識，更應(yīng)該通過對具體事例的分析，啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識工程問題的特點，掌握將基礎(chǔ)理論應(yīng)用于解決實際工程問題的方法；使學(xué)生意識到工藝過程的設(shè)計計算、操作條件的確立要以安全生產(chǎn)為前提；要學(xué)會按著工藝過程的特點進(jìn)行綜合分析，以確定工藝過程的技術(shù)指標(biāo)，使工藝過程更加經(jīng)濟(jì)可行?？傊?，要強(qiáng)化學(xué)生的工程意識、安全意識以及經(jīng)濟(jì)意識，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力，使學(xué)生畢業(yè)后能夠?qū)W以致用，很快地滿足工作需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱炳辰.化學(xué)反應(yīng)工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：167.

[2]李紹芬.反應(yīng)工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：90.

[3]朱開宏.工業(yè)反應(yīng)過程分析導(dǎo)論[M].北京：中國石化出版社，2003：79.