基于工程能力培養(yǎng)的《化學(xué)反應(yīng)工程》課程改革與實(shí)踐

韓永軍 王 莉

(平頂山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467000)

化學(xué)反應(yīng)工程是一門(mén)研究工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)、優(yōu)化、放大的工程學(xué)科[1]，目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生分析、解決工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)、操作和控制中遇到的實(shí)際工程問(wèn)題的能力。學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)普遍感到理論抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)煩瑣，工程問(wèn)題多。本科生的工程背景知識(shí)不足，難以將反應(yīng)工程基本原理與工業(yè)反應(yīng)過(guò)程有效結(jié)合，將知識(shí)內(nèi)化為能力[2,3]。

課堂教育是傳授知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生思維能力的主要途徑。我們以加強(qiáng)工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練為主線，以化工企業(yè)實(shí)際工程技術(shù)需求為導(dǎo)向，以理論教學(xué)圍繞工程問(wèn)題講解，深化書(shū)本理論知識(shí)、強(qiáng)化工程應(yīng)用能力。

目前教學(xué)中存在的主要問(wèn)題有工程思維弱化，基本概念掌握不夠牢靠，工程設(shè)計(jì)能力基本為零[4]，因此課程教學(xué)急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題是通過(guò)理論教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和工程設(shè)計(jì)能力。

1 教學(xué)改革思路、教學(xué)改革具體措施和方法

1.1 倡導(dǎo)工程思維，牢固掌握基本概念

為建立完整的工程觀點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中著重培養(yǎng)工程思維方法，充分應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)，在理論和實(shí)踐上培養(yǎng)學(xué)生建立工程思維方法。以化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的返混問(wèn)題為例，返混是反應(yīng)器中流體流動(dòng)和反應(yīng)疊加而形成的重要工程概念，它是化學(xué)反應(yīng)器中十分生動(dòng)，又對(duì)化學(xué)反應(yīng)結(jié)果影響特別大的工程因素。在返混這一概念的學(xué)習(xí)中，學(xué)生往往把間歇過(guò)程中物料攪拌混合與連續(xù)過(guò)程混為一談。間歇過(guò)程的物料是一次性全部投入反應(yīng)器的，是相同年齡、相同濃度的物料之間的混合，而連續(xù)過(guò)程是不同停留時(shí)間、不同濃度的物料間的混合，二者之間有本質(zhì)的區(qū)別。既然返混的結(jié)果是造成反應(yīng)場(chǎng)所反應(yīng)物濃度的降低，那么與降低反應(yīng)場(chǎng)所反應(yīng)物濃度的工程措施對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響是等效的。例如，降低反應(yīng)器進(jìn)料中反應(yīng)物的濃度、提高反應(yīng)過(guò)程轉(zhuǎn)化率、用惰性氣體稀釋原料等都與返混是等效的。因此，教學(xué)過(guò)程中把兩種混合過(guò)程進(jìn)行形象的描述，使學(xué)生自己通過(guò)思考得出結(jié)論，以幫助學(xué)生建立牢固而清晰的工程觀點(diǎn)。

1.2 圍繞解決工程問(wèn)題組織理論教學(xué)

化學(xué)反應(yīng)工程課程與工程實(shí)際密切相關(guān)，最終要為解決生產(chǎn)實(shí)際中的工程問(wèn)題服務(wù)。我們以往的教學(xué)中注重傳授書(shū)本知識(shí)，理論與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系較少，學(xué)生雖然掌握了化學(xué)反應(yīng)工程的基本原理，但面對(duì)反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)等實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)仍然無(wú)從下手，知識(shí)應(yīng)用能力較差。為此，我們提出了圍繞“解決工程問(wèn)題”組織理論教學(xué)的理念。教學(xué)中講清基本概念、基本理論后，重點(diǎn)介紹理論知識(shí)在解決實(shí)際工程問(wèn)題中的應(yīng)用，突出工程設(shè)計(jì)意識(shí)和方法的訓(xùn)練，以設(shè)計(jì)型問(wèn)題為引領(lǐng)，剖析各類反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)思路。各章節(jié)的教學(xué)都進(jìn)行基本理論所涉及的工程問(wèn)題分析，如有哪些工程因素會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，有利還是有害?程度有多大?哪些方法可以消除不利因素或利用有利因素等。培養(yǎng)學(xué)生反應(yīng)器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的正確思路：(1)研究反應(yīng)系統(tǒng)計(jì)量學(xué)特征，了解反應(yīng)屬于簡(jiǎn)單反應(yīng)還是復(fù)合反應(yīng)；(2)研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征；(3)反應(yīng)器選型；(4)傳遞過(guò)程對(duì)反應(yīng)結(jié)果影響的研究；(5)過(guò)程綜合，建立反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)確定模型參數(shù)；(6)進(jìn)行熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，完善模型。另外，在教學(xué)中盡可能多地增加工程設(shè)計(jì)案例分析。通過(guò)具體案例，學(xué)生可以進(jìn)行模仿練習(xí)，從中學(xué)習(xí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的思路和方法。

1.3 運(yùn)用工程分析方法，解決問(wèn)題

在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，影響反應(yīng)結(jié)果的因素可分為二類。一是與設(shè)備大小無(wú)關(guān)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素，即化學(xué)因素，這是過(guò)程的個(gè)性，每個(gè)反應(yīng)各不相同；二是與設(shè)備大小密切相關(guān)的傳遞過(guò)程因素，即工程因素，這是過(guò)程的共性，同類反應(yīng)器的傳遞特性是相同的，不因進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程而變化，但與反應(yīng)器大小密切相關(guān)。從本質(zhì)上看，工程因素對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響，是通過(guò)流體流動(dòng)、傳質(zhì)和傳熱等物理過(guò)程，改變了反應(yīng)場(chǎng)所的濃度和溫度分布，再通過(guò)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的特征間接地影響反應(yīng)結(jié)果。

如前面所述的返混，已知返混使反應(yīng)物的濃度降低，那么對(duì)反應(yīng)結(jié)果有何影響呢?對(duì)這個(gè)問(wèn)題，要根據(jù)反應(yīng)過(guò)程的特征，具體問(wèn)題具體分析。例如，對(duì)串聯(lián)反應(yīng)而言，濃度降低總是造成反應(yīng)選擇性的下降，返混的影響總是不利的；而對(duì)平行反應(yīng)而言，根據(jù)反應(yīng)選擇性的動(dòng)力學(xué)特征，主反應(yīng)級(jí)數(shù)低于副反應(yīng)級(jí)數(shù)時(shí)，濃度降低是有利的，此時(shí)返混是有利的，而反之則是不利的[5]。

1.4 融入化工設(shè)計(jì)比賽，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)能力

化工項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)包括生產(chǎn)方案、流程設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)、安全環(huán)保、土建、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等多項(xiàng)內(nèi)容。我們?cè)诖笕_(kāi)設(shè)第二課堂，主題為化工設(shè)計(jì)比賽，通過(guò)設(shè)計(jì)比賽提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。將氣固相固定床催化反應(yīng)器、管殼式換熱器、板式精餾塔等典型化工單元操作裝置的設(shè)計(jì)融入到化工產(chǎn)品工藝流程設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求學(xué)生樹(shù)立認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)求是的工程觀念?；瘜W(xué)反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生分組完成設(shè)計(jì)，自行查閱文獻(xiàn)資料、查找設(shè)計(jì)方法、搜集計(jì)算公式、選擇工藝參數(shù)，完成后撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生之間廣泛討論，商討設(shè)計(jì)方法，學(xué)習(xí)氛圍濃厚。通過(guò)該課程設(shè)計(jì)，學(xué)生對(duì)固定床催化反應(yīng)器的形式和特點(diǎn)，固體催化劑的性能、內(nèi)擴(kuò)散有效因子的概念和計(jì)算方法，平衡溫度曲線的概念和繪圖方法，最佳溫度曲線的概念和繪圖方法，各段進(jìn)出口溫度、進(jìn)出口轉(zhuǎn)化率的最佳分配方法，利用本征動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算反應(yīng)時(shí)間的方法，催化劑用量的計(jì)算及校正方法，反應(yīng)器直徑、高度及其他附件尺寸的計(jì)算方法等知識(shí)點(diǎn)，有了深刻的理解和較好的掌握。

2 教學(xué)改革預(yù)期成效

化學(xué)反應(yīng)工程是一門(mén)工程學(xué)科，需要學(xué)生在掌握基本概念、基本內(nèi)容的同時(shí)，學(xué)會(huì)分析工程問(wèn)題、解決工程問(wèn)題的方法。在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)實(shí)踐中也始終把握這一點(diǎn)，采用工程思維方法和工程分析方法組織教學(xué)內(nèi)容，有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，使教學(xué)過(guò)程成為思維方法、分析能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)過(guò)程，使學(xué)生把所學(xué)的知識(shí)轉(zhuǎn)化為認(rèn)識(shí)規(guī)律、運(yùn)用規(guī)律、解決工程問(wèn)題的能力，適應(yīng)新世紀(jì)人才培養(yǎng)模式對(duì)人才素質(zhì)的要求。

將課程設(shè)計(jì)融入化工設(shè)計(jì)比賽，我校2014級(jí)、2015級(jí)化學(xué)工程與工藝專業(yè)于第五學(xué)期開(kāi)展化工設(shè)計(jì)比賽，深受廣大學(xué)生的歡迎并積極參與，取得了良好的教學(xué)效果，比賽優(yōu)勝組已參加2017、2018年度全國(guó)化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽，并獲得優(yōu)異的成績(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)基于工程能力培養(yǎng)的《化學(xué)反應(yīng)工程》教學(xué)改革，學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力得到很大提升，為實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)與行業(yè)需求的無(wú)縫接軌，使學(xué)生在走上工作崗位后能較快適應(yīng)實(shí)際工作需要，奠定了良好的基礎(chǔ)。