化學(xué)反應(yīng)工程課程在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力中的作用

張良佺,張?zhí)N賢,李輝輝

(1.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,杭州 310023;2.復(fù)旦大學(xué) 中國語言文學(xué)系,上海 200437)

化學(xué)反應(yīng)工程課程在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力中的作用

張良佺1,張?zhí)N賢2,李輝輝1

(1.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,杭州 310023;2.復(fù)旦大學(xué) 中國語言文學(xué)系,上海 200437)

為了更好地培養(yǎng)和提高學(xué)生在化工過程開發(fā)時的創(chuàng)新能力,根據(jù)創(chuàng)新的性質(zhì)討論科學(xué)理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新,并在此前提下分析了科學(xué)與技術(shù)的含義及區(qū)別;根據(jù)創(chuàng)新的方法將創(chuàng)新分為原始創(chuàng)新、移植創(chuàng)新和改進(jìn)改造創(chuàng)新3種不同類型,分析三者之間的區(qū)別,提出不同類型創(chuàng)新程度的定性判別原則;根據(jù)研究對象性質(zhì)的不同,將化工過程開發(fā)分為實(shí)驗(yàn)型和計算型2類課題,同時將實(shí)驗(yàn)型課題細(xì)分為工藝、單元過程及分析方法,將計算型課題細(xì)分為工藝計算、單元模擬和計算方法研究。針對不同的細(xì)分領(lǐng)域分別考察了可能的創(chuàng)新類型，并將有關(guān)創(chuàng)新的概念、理論應(yīng)用于多個化學(xué)反應(yīng)器開發(fā)實(shí)例,分析其創(chuàng)新性質(zhì)及創(chuàng)新程度的判定。

化工過程開發(fā);化學(xué)反應(yīng)器;創(chuàng)新程度;創(chuàng)新能力

在熟練并牢固地掌握了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的基本概念、基本規(guī)律和科學(xué)的工程思維方法后,人們自然地需要將這些知識理論應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中,即應(yīng)用到工業(yè)化學(xué)反應(yīng)器的開發(fā)過程中。同時在化工過程開發(fā)實(shí)踐當(dāng)中,也必將遇到新的現(xiàn)象、新的事實(shí)、新的規(guī)律及新的技術(shù)方法,于是必將涉及創(chuàng)新。在探討化學(xué)反應(yīng)工程課程的邏輯結(jié)構(gòu)及工程思維方式[1]的基礎(chǔ)上,筆者從創(chuàng)新的性質(zhì)、創(chuàng)新的層次、創(chuàng)新的方法及創(chuàng)新的理論等方面展開論述,并結(jié)合具體案例分析化工過程開發(fā)中所涉及的創(chuàng)新問題,以期更好地培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 科學(xué)與技術(shù)——創(chuàng)新領(lǐng)域

科學(xué)研究的基本要求是“創(chuàng)新”,對愿意從事科學(xué)技術(shù)研究活動的人而言創(chuàng)新是一個永恒的話題[2-3]。為深入地了解和準(zhǔn)確地把握什么是創(chuàng)新,以及如何在化工過程開發(fā)中更好地貫徹創(chuàng)新原則,應(yīng)當(dāng)首先了解2個基本的范疇,即什么是科學(xué)和技術(shù),以及兩者之間的區(qū)別。這其實(shí)是創(chuàng)新的領(lǐng)域性質(zhì)。所有的創(chuàng)新都離不開這2個基本的領(lǐng)域,都是在這2個領(lǐng)域內(nèi)發(fā)生,所以,在討論創(chuàng)新問題時首先必需了解這2個基本概念。

1.1 科學(xué)與技術(shù)的概念

科學(xué)是以范疇、定理、定律形式反映現(xiàn)實(shí)世界各種現(xiàn)象(即事物)的本質(zhì)和運(yùn)動規(guī)律的知識體系。由此可以看出,科學(xué)的定義中其實(shí)具有2個基本且重要的內(nèi)容,即事物和規(guī)律。事物即自然界中存在著的各種各樣的現(xiàn)象,其中有些是顯露的,但有些(甚至大部分)是掩蓋著的，若需了解其真相,就有一個去偽存真、由表及里的過程。規(guī)律即事物內(nèi)在的、本質(zhì)的、必然的聯(lián)系。規(guī)律可以是定性的,也可以是定量的。規(guī)律表現(xiàn)出的基本特征是:在一定條件下,客觀事實(shí)的同一結(jié)果能夠重復(fù)出現(xiàn)(即可重復(fù)性)。由此可推知,若掌握了規(guī)律,即具有預(yù)見性及指導(dǎo)性。如門捷列夫的元素周期律,這是定性的規(guī)律,通過掌握元素性質(zhì)的周期性變化,在化學(xué)發(fā)展歷史上利用該規(guī)律預(yù)見了新的元素;又如蒸氣壓與溫度之間的關(guān)系,呈現(xiàn)出來的是數(shù)學(xué)關(guān)系式,這是定量的規(guī)律,利用該規(guī)律可以預(yù)測一定溫度下的蒸氣壓,當(dāng)然,也可以通過一定的蒸氣壓來測算體系所處的溫度狀態(tài);又如在反應(yīng)過程開發(fā)中通常采取的反應(yīng)動力學(xué)模型,其實(shí)也是定量規(guī)律的表現(xiàn)形式?？茖W(xué)常常需回答的是“是什么(事實(shí))”和“為什么是(規(guī)律)”的問題,這是科學(xué)的基本任務(wù)。

在古代,技術(shù)被稱為是一種“手藝”;在近代,技術(shù)發(fā)展于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。技術(shù)包括2個基本要素,一是工具,主要體現(xiàn)為物質(zhì)性;二是規(guī)則,表現(xiàn)為知識性,即科學(xué)理論。以化工生產(chǎn)中的技術(shù)為例:其一包括選用什么原料,反應(yīng)、分離中的方法及相應(yīng)的設(shè)備(物質(zhì)性);其二包括產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中的所有原理等內(nèi)容(知識性)。從技術(shù)與科學(xué)之間的關(guān)系角度,也可以將技術(shù)定義為科學(xué)理論的應(yīng)用。對化工行業(yè)而言,如化學(xué)工程原理在具體產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用便形成化工技術(shù)。技術(shù)的根本任務(wù)是解決“做什么”和“怎么做”的問題。“做什么”指的是對象及目標(biāo);“怎么做”是指手段和方法。

1.2 科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系

科學(xué)與技術(shù)之間的關(guān)系難以一言以蔽之,有時將兩者嚴(yán)格區(qū)分開來頗為不易。從時間上看,技術(shù)常常先于科學(xué):通過提供大量事實(shí),歸納出適用于一定范圍內(nèi)的規(guī)律,抽象出科學(xué)理論。如以化工熱力學(xué)的發(fā)展為例,首先是蒸汽機(jī)的發(fā)明,產(chǎn)生了熱功機(jī)械(即技術(shù));歸納出熱與功的轉(zhuǎn)化規(guī)則,形成了工程熱力學(xué)(即科學(xué));再將這些規(guī)律應(yīng)用于化工生產(chǎn),指導(dǎo)熱功轉(zhuǎn)換及能量的有效利用(即新技術(shù)),并通過熱力學(xué)函數(shù)應(yīng)用于組成變化(化學(xué)平衡和相平衡)的體系,形成了化工熱力學(xué)新的理論體系(新科學(xué))。這時,科學(xué)與技術(shù)就比較難區(qū)別了。由此不妨對兩者之間的關(guān)系以簡潔明了的鏈?zhǔn)叫问娇偨Y(jié)如下:技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造→歸納抽象出科學(xué)理論→應(yīng)用于新的領(lǐng)域產(chǎn)生新的理論體系。從不同性質(zhì)角度考察,技術(shù)是發(fā)明,是從實(shí)踐中創(chuàng)造新的工具、設(shè)備;而科學(xué)是發(fā)現(xiàn),基于事實(shí)提出規(guī)則,以指導(dǎo)實(shí)踐?？傊?科學(xué)是技術(shù)的歸納與升華,技術(shù)是科學(xué)的演繹和使用。

2 化工開發(fā)過程中的有關(guān)創(chuàng)新理論

科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中所涉及的創(chuàng)新主要包括發(fā)現(xiàn)新事物、新現(xiàn)象和新規(guī)律,發(fā)明新裝置、新工藝等，可以從不同角度對創(chuàng)新進(jìn)行分類[4-10]。

2.1 對創(chuàng)新的分類

從不同的創(chuàng)新內(nèi)容看,創(chuàng)新可分為產(chǎn)品創(chuàng)新和過程創(chuàng)新。產(chǎn)品創(chuàng)新是指技術(shù)上有變化的產(chǎn)品的商品化。它可以是完全新的產(chǎn)品,也可以是對現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)。過程創(chuàng)新也稱工藝創(chuàng)新,是指一個產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)的重大變革,它包括新工藝、新設(shè)備及新的管理和組織方法。

從創(chuàng)新大小程度不同看,創(chuàng)新可分為根本型創(chuàng)新、適度創(chuàng)新和漸進(jìn)型創(chuàng)新。根本型創(chuàng)新是指引入一項新技術(shù),從而產(chǎn)生了一個新的市場基礎(chǔ)。例如萬維網(wǎng),這種創(chuàng)新必然會產(chǎn)生新企業(yè)和新顧客。適度創(chuàng)新是由公司的原有產(chǎn)品線組成,但產(chǎn)品并不是創(chuàng)新性的,即市場對它并不陌生,它只是企業(yè)當(dāng)前產(chǎn)品線上的新產(chǎn)品。漸進(jìn)型創(chuàng)新被定義為:為當(dāng)前市場當(dāng)前技術(shù)提供新特色、收益或升級的產(chǎn)品。

從不同的創(chuàng)新方法看,創(chuàng)新可分為原始創(chuàng)新、移植創(chuàng)新(又稱集成組合創(chuàng)新)和改進(jìn)改造型創(chuàng)新。

2.2 創(chuàng)新方法視角下的3種創(chuàng)新

從創(chuàng)新方法角度劃分的3種創(chuàng)新,即原始創(chuàng)新、移植創(chuàng)新和改進(jìn)改造型創(chuàng)新,在化學(xué)化工領(lǐng)域中,通常被用來評價化學(xué)化工理論與技術(shù)的革新和進(jìn)步。

2.2.1 原始創(chuàng)新

原始創(chuàng)新即“全新”,指的是一種新思維的提出。當(dāng)發(fā)現(xiàn)新事實(shí)和新規(guī)律時,一經(jīng)提出就能徹底改變?nèi)藗兊乃季S方式;或首次將有關(guān)理論應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn),并產(chǎn)生重大進(jìn)步的技術(shù)。由此可見,原始創(chuàng)新最重要的特征是“前無古人”。無論是概念或事實(shí)、規(guī)律,還是技術(shù),如工藝、設(shè)備等,在此之前從無他人提出即“全新”。同時需提請注意的是,創(chuàng)新的程度高低應(yīng)由創(chuàng)新成果的實(shí)際效應(yīng)來判斷。對原始理論創(chuàng)新可通過考察其改變?nèi)藗兯季S的徹底程度,以及影響領(lǐng)域范圍來進(jìn)行判斷;對技術(shù)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新可根據(jù)該新技術(shù)的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)效益的大小來進(jìn)行判斷。例如17世紀(jì)牛頓三大定律的創(chuàng)立，20世紀(jì)愛因斯坦的相對論及量子力學(xué)的創(chuàng)立,都是屬于重大的原始理論創(chuàng)新,它們的提出徹底改變了人類對自然界的看法和思維方式。而瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)的首次出現(xiàn)則是重大的原始技術(shù)創(chuàng)新,蒸汽機(jī)的發(fā)明引起了現(xiàn)代工業(yè)革命。又如在相平衡過程中引進(jìn)“超臨界”概念屬于理論原始創(chuàng)新，首次將高壓超臨界流體相平衡理論引入咖啡豆的萃取分離,獲得咖啡因的超臨界萃取技術(shù),則屬于原始技術(shù)創(chuàng)新。雖然這也屬于原始創(chuàng)新,但其影響范圍和前面例子相比顯然要小得多。原始創(chuàng)新較多地分布于基礎(chǔ)研究及應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,如基礎(chǔ)化學(xué)領(lǐng)域、分子熱力學(xué)和分子動力學(xué)領(lǐng)域,以及注重化學(xué)反應(yīng)、注重產(chǎn)品表征的精細(xì)化工和高分子領(lǐng)域。這種創(chuàng)新要求高,大多數(shù)化工研究者不太容易達(dá)到。

2.2.2 集成(組合或移植)創(chuàng)新

該創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)是移植或組合,即將某一過程或某一領(lǐng)域中的已有理論或技術(shù)引入不同性質(zhì)的新過程或新領(lǐng)域中,并產(chǎn)生新的理論或技術(shù)。從該定義可以看出,與原始創(chuàng)新相比，集成創(chuàng)新的重要特征是:理論或技術(shù)在某一過程或某一領(lǐng)域已經(jīng)存在,因此總體來看,其創(chuàng)新程度不如原始創(chuàng)新,沒有做到“前無古人”。例如將量子力學(xué)理論應(yīng)用于分子或原子等微觀粒子及化學(xué)反應(yīng)過程中而形成的量子化學(xué),即屬于理論集成創(chuàng)新;又如將等離子體技術(shù)和化學(xué)反應(yīng)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生新的技術(shù)和成果,即屬于技術(shù)集成創(chuàng)新。與原始創(chuàng)新一樣,集成創(chuàng)新的程度高低也應(yīng)該由創(chuàng)新成果的實(shí)際效應(yīng)來判斷。但同時也帶有自身的一些特點(diǎn),最顯著的一點(diǎn)是其創(chuàng)新程度的高低往往取決于不同過程或領(lǐng)域之間性質(zhì)差異的大小,以及新過程的復(fù)雜程度。通常,過程或領(lǐng)域相互之間差異越大,新過程越復(fù)雜,創(chuàng)新程度往往也越高。若新過程很簡單,則其創(chuàng)新程度往往很低,甚至沒有。這一點(diǎn)有時會引起人們的誤解。例如對計算型課題中數(shù)學(xué)方法的移植,由于任何一個過程或事物總具有質(zhì)和量兩方面的規(guī)定性,數(shù)學(xué)方法往往只考慮過程量之間的關(guān)系,因此,它很容易從一個過程或領(lǐng)域移植到一個新的不同性質(zhì)的過程或領(lǐng)域中。如果過程簡單,數(shù)學(xué)方法本身也未作任何改進(jìn),則創(chuàng)新往往很少甚至沒有;反之,如新過程很復(fù)雜,將數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到該過程中時,對計算方法本身進(jìn)行了重大的改進(jìn),則創(chuàng)新程度往往也較高。如將正交配置法應(yīng)用到化學(xué)反應(yīng)器的模擬和優(yōu)化,由于過程復(fù)雜,數(shù)學(xué)方法本身需進(jìn)行較大的改造,與現(xiàn)有的有限差分法相比有較大的改進(jìn),故屬于移植創(chuàng)新。筆者認(rèn)為，以“過程或領(lǐng)域”來定義理論知識或方法是否真正具備了移植性質(zhì),這樣的劃分較為準(zhǔn)確,一些學(xué)者以“行業(yè)”來劃分似不太恰當(dāng)。如將“超臨界萃取技術(shù)”由“萃取過程”移植到“化學(xué)反應(yīng)過程”,可視為集成移植創(chuàng)新;但若將“超臨界技術(shù)”由“化工行業(yè)”移植到“食品或藥品行業(yè)”,若過程都是“萃取”,似不能認(rèn)為是“移植創(chuàng)新”,認(rèn)為是“移植創(chuàng)新”只是含糊的說法,從嚴(yán)格意義上講并不成立。集成創(chuàng)新較多地分布于精細(xì)化工和高分子領(lǐng)域,化學(xué)工程領(lǐng)域也較為常見。

2.2.3 改進(jìn)、改造創(chuàng)新

該創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)是對“舊”的改進(jìn)、改造。如對已有事實(shí)或理論的補(bǔ)充及改進(jìn),對已有設(shè)備、工藝的改進(jìn)、改造等。既沒有做到“前無古人”,也不是不同領(lǐng)域或不同過程之間的相互移植,往往只是針對相同領(lǐng)域或過程,對有關(guān)理論或工藝、設(shè)備所作的補(bǔ)充或改進(jìn)。目前在中國主要表現(xiàn)為“引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新”，即先引進(jìn)國外專利技術(shù)后,經(jīng)反復(fù)實(shí)踐及理解后加以改進(jìn),形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利或技術(shù),當(dāng)前中國社會經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平與世界先進(jìn)國家相比,在較多領(lǐng)域尚處于初級階段,所以，“引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新”在所有創(chuàng)新中占據(jù)了主要部分。該創(chuàng)新主要分布于大化工領(lǐng)域。

2.2.4 3種創(chuàng)新的舉例說明

由創(chuàng)新的分類可知,創(chuàng)新可大可小,可以是對規(guī)律的發(fā)現(xiàn),也可以是對原有事實(shí)的增補(bǔ);同時也包括實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)上的擴(kuò)大,得出新事實(shí),發(fā)現(xiàn)新規(guī)律,發(fā)明新工藝、新技術(shù)。創(chuàng)新雖劃分為3種,但在當(dāng)前階段,原始創(chuàng)新在化學(xué)化工類研究中不為常見,后兩種創(chuàng)新為創(chuàng)新的主流。為更好地理解上述3種創(chuàng)新,現(xiàn)以超臨界技術(shù)為例來說明不同程度的創(chuàng)新。

20世紀(jì)40年代超臨界平衡(固體或液體在超臨界流體中的溶解)的實(shí)驗(yàn)取得了成功,狀態(tài)方程法計算也取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展,屬于理論創(chuàng)新且是原始創(chuàng)新,其意義重大。后來經(jīng)過長時間的超臨界CO2萃取實(shí)踐,取得了從咖啡豆中萃取咖啡因的實(shí)驗(yàn)室成果,并工業(yè)化成功,由于是首次將超臨界平衡理論轉(zhuǎn)化為技術(shù)(指實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)),屬于技術(shù)上原始創(chuàng)新。再后來,又在CO2中加入了夾帶劑(增溶劑),例如乙醇,提高了極性化合物的萃取率,雖然有著較大的飛躍和創(chuàng)新,但只是擴(kuò)大了應(yīng)用范圍,不屬于原始創(chuàng)新,只是對舊的進(jìn)行了“改進(jìn)”,但改進(jìn)創(chuàng)新同樣存在程度之差,加入乙醇等夾帶劑屬于創(chuàng)新程度較高的改進(jìn)型創(chuàng)新。而其他人在添加夾帶劑的思維啟發(fā)下,對不同體系選擇不同的夾帶劑,就更屬于改進(jìn)創(chuàng)新了。將超臨界萃取技術(shù)應(yīng)用于其他行業(yè),如食品、藥品等,用于分離人參、西洋參中DDT、六氯苯等,從而改善了品質(zhì)及安全性,若過程性質(zhì)相差較大,則屬于集成創(chuàng)新;若都是萃取過程,則只能屬于改進(jìn)創(chuàng)新,抑或沒有創(chuàng)新,只是模仿而已。若將超臨界萃取技術(shù)應(yīng)用于反應(yīng)過程,即將超臨界條件下的液體作為反應(yīng)物直接參與反應(yīng)而發(fā)展成超臨界化學(xué)反應(yīng)技術(shù),由于反應(yīng)過程與萃取過程差異較大,這便屬于集成(移植)創(chuàng)新。

3 化工過程開發(fā)中不同方面的創(chuàng)新

創(chuàng)新是科研的靈魂。弄清楚在化工過程開發(fā)中有哪些方面或領(lǐng)域易于產(chǎn)生創(chuàng)新及該問題的來龍去脈將會為人們從事創(chuàng)新工作指引方向。因此，有必要將化工過程開發(fā)中所涉及的有關(guān)創(chuàng)新內(nèi)容進(jìn)行條理化總結(jié)。

3.1 不同化工過程開發(fā)中的創(chuàng)新

不同化工過程開發(fā)中常見的創(chuàng)新以示意圖(圖1)形式表示如下。

圖1 化工過程開發(fā)創(chuàng)新示意圖Fig.1 Diagram of development innovation of chemical technological process

如圖1所示,科學(xué)研究通常是以課題形式呈現(xiàn),化工過程開發(fā)也不例外,其課題按性質(zhì)可分為實(shí)驗(yàn)型和計算型課題2種。實(shí)驗(yàn)型課題是指以做實(shí)驗(yàn)為主,按實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠挚煞譃槎ㄐ詫?shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn);根據(jù)實(shí)驗(yàn)對象的透明度,可以分為黑箱實(shí)驗(yàn)、灰箱實(shí)驗(yàn)和白箱實(shí)驗(yàn)等。筆者根據(jù)研究對象的具體性質(zhì)將化工過程開發(fā)實(shí)驗(yàn)型課題分為:產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝研究、組成整個工藝的單元過程與設(shè)備研究及所涉及的分析方法研究三方面。計算性課題主要指理論計算,對化工過程開發(fā)而言則主要包括化工車間、工段和設(shè)備的新方法設(shè)計;已有車間、工段和設(shè)備的核算,平衡生產(chǎn)能力,討論擴(kuò)產(chǎn)的可能性;能耗計算,節(jié)能的討論;對過程模擬方法進(jìn)行條件優(yōu)化或進(jìn)行過程合成等。對化工過程開發(fā)實(shí)驗(yàn)型課題而言,其創(chuàng)新領(lǐng)域通常表現(xiàn)在“工藝路線”和“單元過程與設(shè)備”;對計算型課題,其創(chuàng)新點(diǎn)則通常表現(xiàn)在“工藝計算”和“新計算方法”?！皢卧^程”模塊中既包含“科學(xué)理論創(chuàng)新”,也包括“工程技術(shù)創(chuàng)新”?，F(xiàn)主要闡述科學(xué)理論創(chuàng)新部分,從化學(xué)反應(yīng)角度看理論創(chuàng)新主要包括三大塊:一是“微觀結(jié)構(gòu)理論”,由原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)及分子相互之間作用構(gòu)成;二是“微觀化學(xué)平衡理論”,主要是分子熱力學(xué)理論;三是“微觀速率理論”,主要包括分子碰撞理論、過渡態(tài)理論及分子動態(tài)學(xué)理論。可見,在三大塊理論中其共同點(diǎn)是“微觀描述”,即從原子、分子等微觀層次上闡述的理論。需說明的是,化學(xué)、化工類學(xué)科起源于實(shí)驗(yàn),所以長期以來被稱為經(jīng)驗(yàn)學(xué)科,但伴隨其不斷發(fā)展,其中包括了大量的理論計算,因此,現(xiàn)在純實(shí)驗(yàn)性課題幾乎不存在了。

3.2 化工過程開發(fā)中的創(chuàng)新及創(chuàng)新程度高低的判別

對化工開發(fā)中創(chuàng)新程度高低的判別可以分為3步[11-12]進(jìn)行:首先是與現(xiàn)有的理論、技術(shù)進(jìn)行比較,找出不同點(diǎn)(可通過對不同過程的比較來進(jìn)行判斷),如新機(jī)理、新模型的提出,新工藝、新方法等;其次是對不同點(diǎn)作進(jìn)一步分析,只有那些比現(xiàn)有理論、技術(shù)改進(jìn)了的不同點(diǎn)才是創(chuàng)新(即是從成果的效應(yīng)即結(jié)果來判斷是否是創(chuàng)新),如新模型計算誤差比以往模型誤差小,新工藝的能耗低、選擇率高等;最后是根據(jù)改進(jìn)的程度,判斷創(chuàng)新程度的高低,一般改進(jìn)的程度越大,創(chuàng)新的程度越高,如前人從未研究過的理論、模型的提出,即屬“全新”。

4 與化學(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域有關(guān)的創(chuàng)新實(shí)例

化學(xué)反應(yīng)工程所涉領(lǐng)域通常為“大化工”,因此,創(chuàng)新的性質(zhì)往往表現(xiàn)為技術(shù)創(chuàng)新,理論創(chuàng)新相對較少,而在國內(nèi)目前比較多的創(chuàng)新屬于改進(jìn)、改造型創(chuàng)新,也有一些屬于移植集成創(chuàng)新,原始創(chuàng)新相對較少。現(xiàn)列舉幾例[13-16]說明如下:

如華東理工大學(xué)肖文德開發(fā)的“流向變換反應(yīng)器”采取非穩(wěn)態(tài)技術(shù),與傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)操作反應(yīng)器相比,該反應(yīng)器在操作方式上發(fā)生了較大的變化,從而使得整個反應(yīng)器中的反應(yīng)狀態(tài)也隨之產(chǎn)生很大的變化,因此,該裝置可回收較低濃度的二氧化硫廢氣;而常規(guī)技術(shù)由于采取固定床穩(wěn)態(tài)操作,缺點(diǎn)較多,只能適應(yīng)較高的二氧化硫入口濃度,回收較低濃度的二氧化硫時則需要較大的經(jīng)濟(jì)成本。顯然,該非穩(wěn)態(tài)流向變換反應(yīng)器技術(shù)屬于改進(jìn)型創(chuàng)新,但其創(chuàng)新程度較為明顯。

又如氣固相固定床反應(yīng)器，根據(jù)反應(yīng)氣體在床層中的流向可分為軸向流動和徑向流動,軸向流動是指反應(yīng)氣體的流向與床層的中心軸相平行,徑向流動則是指反應(yīng)氣體的流動方向與床層中心軸相垂直,即沿著床層橫截面的半徑方向流動。對塔設(shè)備而言,通常軸向高度要比床層直徑大得多,因此,當(dāng)反應(yīng)器采用軸向流動時,反應(yīng)物料往往壓力降較大。為減少壓力降,可行的方法是增大催化劑顆粒之間的空隙,即采取較大粒徑的催化劑。但是,當(dāng)采取大粒徑催化劑時,必將伴生反應(yīng)組分在粒內(nèi)的擴(kuò)散阻力增大,這將影響到催化劑的有效內(nèi)表面利用率。所以，降低壓力降與提高催化劑內(nèi)表面利用率是一對矛盾。徑向流動反應(yīng)器技術(shù)的開發(fā),則能較好地處理這一對矛盾。由于其流道短,流速低,可大幅度地降低床層壓力降,從而為使用小顆粒催化劑提供了條件。如早期的合成氨反應(yīng)器都是采取軸向流動的,為既能獲得較低的壓力降,又能獲得較高的內(nèi)表面利用率,華東理工大學(xué)張成芳等開發(fā)了“合成氨徑向反應(yīng)裝置”,改變了傳統(tǒng)的氣體軸向流動方式,降低了流體流動壓力,同時可以采取小顆粒催化劑,從而保證了催化劑較高的內(nèi)表面利用率,這體現(xiàn)了技術(shù)上的進(jìn)步,顯然也屬于改進(jìn)、改造創(chuàng)新。

再如早期己內(nèi)酰胺加氫精制采取釜式反應(yīng)器,由于釜式反應(yīng)器中返混嚴(yán)重,導(dǎo)致催化反應(yīng)分離困難,反應(yīng)效果不夠理想。閔恩澤等開發(fā)了磁穩(wěn)定床,應(yīng)用該床進(jìn)行己內(nèi)酰胺加氫精制反應(yīng)。相較于釜式反應(yīng)器,磁穩(wěn)定流化床具有許多優(yōu)點(diǎn),如磁場作用能夠有效地控制相間返混,能夠保持床層均勻的空隙率,反應(yīng)流體不易出現(xiàn)溝流等,從而有效地克服了釜式反應(yīng)器的缺點(diǎn),提高了反應(yīng)能力,尤其是提高了反應(yīng)的選擇性,獲得了較高的己內(nèi)酰胺優(yōu)級品率,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于將磁場理論由物理學(xué)領(lǐng)域首次引入化學(xué)反應(yīng)過程中,并且過程之間的差別較大,其創(chuàng)新意義明顯,故屬于移植型集成創(chuàng)新。

創(chuàng)新實(shí)例在反應(yīng)工程發(fā)展過程中比比皆是。應(yīng)當(dāng)對每個實(shí)例細(xì)心揣摩、用心體會,借鑒其成功經(jīng)驗(yàn),才能為化工過程開發(fā)創(chuàng)新提供知識儲備和方法論上的啟示。

5 結(jié) 語

綜上,根據(jù)創(chuàng)新的領(lǐng)域可以將創(chuàng)新分為科學(xué)理論創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新,根據(jù)創(chuàng)新的方法則將創(chuàng)新分為原始創(chuàng)新、移植組合創(chuàng)新和改進(jìn)改造創(chuàng)新。根據(jù)課題性質(zhì)可將化工過程開發(fā)研究分為實(shí)驗(yàn)型課題和計算型課題,對化工實(shí)驗(yàn)型課題分為工藝過程研究、單元過程研究及分析方法開發(fā),對計算型課題則分為工藝計算、單元過程模擬計算及計算方法開發(fā)。將創(chuàng)新概念與不同性質(zhì)的課題研究相結(jié)合,提出了創(chuàng)新性質(zhì)、創(chuàng)新程度的判定原則,并結(jié)合有關(guān)化學(xué)反應(yīng)器開發(fā)過程所涉及的創(chuàng)新案例,具體分析了創(chuàng)新的性質(zhì)和判定?？傊?化學(xué)反應(yīng)工程作為一個完整的學(xué)科體系具有很強(qiáng)的生命力和創(chuàng)造力,學(xué)好該課程實(shí)則是成為卓越工程師的基本前提和有力保證,這正是本文用意所在。

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The role of chemical reaction engineering curriculum in cultivating students’ innovative ability

ZHANG Liangquan1, ZHANG Yunxian2, LI Huihui1
(1. School of Biological and Chemical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology,Hangzhou 310023, Zhejiang, China; 2. Department of Chinese Language and Literature, Fudan University, Shanghai 200437, China)

In order to better cultivate and improve the innovative ability in the development of chemical technological process, this article focuses on innovation of scientific theory and technological innovation according to the nature of innovation and on that premise, analyzes the meanings and differences between science and technology; The article classifies innovation into three types: original innovation, transplanted innovation and transformed innovation according to different innovative approaches, explores the differences among them, and proposes the principle of qualitative discriminant degree for different types of innovation; Based on different natures of the research object, research topics in chemical engineering process development fall into experimental types and computational types, with the former subdivided into technology, unit process and analytical method, and the latter into process calculation, unit simulation and calculation method research; For different segments, possible types of innovation are investigated respectively; Finally, the article probes into evaluation of innovation quality and degree through case studies of several chemical reactors by applying relevant concepts and theories of innovation.

development of chemical technological process; chemical reactor; degree of innovation; innovative ability

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.01.012

2016-12-17

浙江科技學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)課程項目(F464103G02)

張良佺(1965— ),男,安徽省銅陵縣人,教授,博士,主要從事綠色化工過程開發(fā)研究。E-mail:zhlq816@163.com。

G642.3;TQ03

A

1671-8798(2017)01-0074-07