“新工科”背景下的微反應(yīng)器技術(shù)與化工原理教學(xué)改革

張 旭 雪

(齊魯師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250200)

教育是關(guān)乎國(guó)家和民族發(fā)展的大事。大學(xué)教育對(duì)于多元化、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)尤為重要。當(dāng)前,世界各國(guó)都非常重視教育的發(fā)展與變革,紛紛出臺(tái)了一系列教育改革的政策和措施,以加快推進(jìn)本國(guó)教育改革的步伐,應(yīng)對(duì)日趨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)的教學(xué)改革正以20世紀(jì)80年代以來(lái)取得的顯著成效為基礎(chǔ),在一個(gè)更高、更深、更全面的層次上展開(kāi)。自2017年教育部啟動(dòng)“新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目”以來(lái),地方高校齊頭并進(jìn),拉開(kāi)了“新工科”高教戰(zhàn)略改革的帷幕?！靶鹿た啤表?xiàng)目以立德樹(shù)人為引領(lǐng),著力于培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型、應(yīng)用型的優(yōu)秀工程人才[1]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一,化學(xué)工業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn),各種新型的化工設(shè)備、全新的化工技術(shù)、綠色環(huán)保的化工工藝不斷出現(xiàn)。微化工技術(shù)自20世紀(jì)90年代興起后,迅速發(fā)展成為化學(xué)工程學(xué)科的前沿和研究熱點(diǎn),我國(guó)“十二五”規(guī)劃將其列為化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。由此可見(jiàn),21世紀(jì)的化學(xué)工業(yè)面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn),微化工技術(shù)將對(duì)整個(gè)化學(xué)化工領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。微化工技術(shù)著重研究化工微型設(shè)備——微反應(yīng)器,其并行系統(tǒng)中“三傳一反”(動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、化學(xué)反應(yīng))的特征和規(guī)律與化工原理中單元操作的理論基礎(chǔ)是一致的。因此,在化工與制藥類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中,將微反應(yīng)器技術(shù)引入化工原理課程,可以適應(yīng)新形勢(shì)下新技術(shù)、新設(shè)備的發(fā)展,有助于“新工科”理念下創(chuàng)新型、應(yīng)用型專業(yè)人才的培養(yǎng)。同時(shí),也可以為微化工行業(yè)未來(lái)的發(fā)展提供一定的人才保障。

一、 化工原理課程分析

1. 化工原理課程的重要性

化工原理是化工與制藥類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程,以高等數(shù)學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等課程為理論基礎(chǔ),研究化工單元操作的基本原理、典型化工設(shè)備的選型設(shè)計(jì)及工藝尺寸的計(jì)算等。在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí),借助單元操作的分類引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì),把握基本規(guī)律。在分析過(guò)程中,通過(guò)學(xué)習(xí)物料衡算(物)、能量衡算(能)、平衡關(guān)系(平)、傳遞速率(速)、經(jīng)濟(jì)核算(經(jīng))在不同單元操作過(guò)程中的應(yīng)用,得到解決不同單元操作工程問(wèn)題的規(guī)律和方程,從而把握分析問(wèn)題、處理問(wèn)題的方法;借助實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)的處理和分析,實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生初步具備從單元操作的角度分析新工藝,利用“物、能、平、速、經(jīng)”解決新問(wèn)題,借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析確定新方程的能力。

該課程由“理”及“工”、由基礎(chǔ)到專業(yè),強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)際的結(jié)合, 承擔(dān)著“工程科學(xué)”和“工程技術(shù)”的雙重使命。 此外,該課程為后續(xù)的化學(xué)工程相關(guān)課程, 如化學(xué)反應(yīng)工程、化工設(shè)計(jì)、化學(xué)分離工程等奠定了基礎(chǔ)。 因此,做好化工原理的教學(xué)及其改革工作, 對(duì)于多元化、創(chuàng)新型、應(yīng)用型化工人才的培養(yǎng), 以及化工類學(xué)科的發(fā)展都極為重要。

2. 化工原理教學(xué)中面臨的問(wèn)題

化工原理是化工與制藥類專業(yè)學(xué)生接觸到的第一門(mén)工程類課程,與其他理論課程的學(xué)習(xí)存在很大的不同,學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到很多困難,學(xué)生畢業(yè)后擇業(yè)時(shí)也會(huì)對(duì)化工行業(yè)抱著敬而遠(yuǎn)之的態(tài)度。筆者在教學(xué)過(guò)程中不斷與學(xué)生溝通,并積極總結(jié)、反思,總結(jié)出3個(gè)問(wèn)題。

(1) 化工原理課程學(xué)習(xí)難度較大?；ぴ碇饕芯炕どa(chǎn)過(guò)程中各種單元操作原理。由于各單元操作均遵循自身的規(guī)律和原理,并在相應(yīng)的設(shè)備中進(jìn)行,因此,單元操作原理包括過(guò)程原理和設(shè)備原理兩部分內(nèi)容。一方面,在傳統(tǒng)教學(xué)中,過(guò)程原理部分通過(guò)理論教學(xué)完成,單元操作分類較多、內(nèi)容復(fù)雜、計(jì)算繁瑣,學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中容易產(chǎn)生怯學(xué)、厭學(xué)情緒。此外,該課程涉及到的公式比較多,許多公式是基于實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)的半經(jīng)驗(yàn)公式,而學(xué)生在未建立實(shí)驗(yàn)參數(shù)擬合概念的情況下,對(duì)半經(jīng)驗(yàn)公式的理解很有限,這又加大了學(xué)習(xí)的難度。另一方面,鑒于化工設(shè)備的特殊性,設(shè)備部分只能依賴圖片、動(dòng)畫(huà)、實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行介紹,學(xué)生缺少與實(shí)際化工設(shè)備的近距離接觸,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)單元操作過(guò)程和原理的理解不夠深入。

(2) 教學(xué)過(guò)程中理論與實(shí)踐脫節(jié)。化工原理課程的工程性和實(shí)踐性很強(qiáng),若能將教學(xué)與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來(lái),將會(huì)對(duì)學(xué)生的工程思想、工程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)產(chǎn)生事半功倍的效果。但是,大部分學(xué)生對(duì)化工生產(chǎn)的概念較為模糊,幾乎未曾接觸過(guò)化工設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)大部分高校開(kāi)設(shè)的化工原理實(shí)驗(yàn)中,大部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備是基于對(duì)原理的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的,與實(shí)際生產(chǎn)中的化工設(shè)備差距較大,不能反映出實(shí)際化工生產(chǎn)中存在的一些問(wèn)題。此外,部分高校將化工原理和化工原理實(shí)驗(yàn)作為兩門(mén)課程開(kāi)設(shè),存在理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)操作不同步的現(xiàn)象。由此,學(xué)生在對(duì)理論知識(shí)理解不深入的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,必然會(huì)影響教學(xué)效果。

(3) 教學(xué)內(nèi)容未能與時(shí)俱進(jìn)。近年來(lái),化工原理在教學(xué)改革及教材更新上取得了很大進(jìn)展,但是與先進(jìn)的化工生產(chǎn)設(shè)備之間還存在著很大的差距。將工業(yè)生產(chǎn)中全新的化工技術(shù)、新型的化工設(shè)備引入教學(xué),結(jié)合原理加以講解,對(duì)學(xué)生畢業(yè)后盡快適應(yīng)崗位需求、推動(dòng)化工專業(yè)的科研,以及對(duì)化工行業(yè)未來(lái)的發(fā)展,都會(huì)起到很好的促進(jìn)作用。

針對(duì)上述問(wèn)題(1)(2),筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)展了部分教改工作。團(tuán)隊(duì)將化工原理與化工原理實(shí)驗(yàn)兩門(mén)課程同時(shí)開(kāi)設(shè),將化工原理理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理有機(jī)結(jié)合。理論部分采用線上線下混合式教學(xué),學(xué)生可以隨時(shí)線上學(xué)習(xí)理論知識(shí);在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,以現(xiàn)代連續(xù)工藝流程的定態(tài)過(guò)程為主線,選擇最典型的流體流動(dòng)、流體輸送機(jī)械、傳熱、吸收、精餾單元操作進(jìn)行講解,與學(xué)生探討分析定態(tài)過(guò)程各種單元操作的特點(diǎn)和規(guī)律,其他單元操作讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)探究、合作交流。經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí),學(xué)生的理論考試成績(jī)及操作技能普遍提高。

針對(duì)問(wèn)題(3),考慮到實(shí)際化工設(shè)備成本高、體積龐大、操作危險(xiǎn)性高的特點(diǎn),筆者認(rèn)為,將微反應(yīng)器技術(shù)引入化工原理教學(xué)中,應(yīng)該可以解決這一問(wèn)題。

二、 微反應(yīng)器技術(shù)與化工原理教改結(jié)合的必要性

1. 適應(yīng)“新工科”建設(shè)的需要

2017年,教育部啟動(dòng)“新工科”建設(shè)計(jì)劃,并積極推進(jìn)“新工科”建設(shè),先后發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》和《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》,并形成了以“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”為主旋律的“新工科”建設(shè)“三部曲”。2018年,教育部發(fā)布《教育部辦公廳關(guān)于公布首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》和《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》,將“新工科”建設(shè)推向了高潮。2020年5月,為推進(jìn)“新工科”建設(shè)再深化、再拓展、再突破、再出發(fā),推動(dòng)高校加快體制機(jī)制創(chuàng)新,做好未來(lái)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才的前瞻性和戰(zhàn)略性培養(yǎng),搶占未來(lái)科技發(fā)展先機(jī),教育部決定在高等學(xué)校培育建設(shè)一批“未來(lái)技術(shù)學(xué)院”。

教育部的一系列舉措引起工程教育界的廣泛關(guān)注,在世界高等教育面臨新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)的特殊時(shí)期,我國(guó)高校要加快建設(shè)和發(fā)展“新工科”?！靶鹿た啤苯逃粤⒌聵?shù)人為引領(lǐng),以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為理念,以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑,致力于培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型、應(yīng)用型卓越工程人才。李培根院士認(rèn)為,“新工科”之“新”在工程教育角度具體可以體現(xiàn)為3個(gè)方面:①新素養(yǎng)。要培養(yǎng)能夠適應(yīng),甚至引領(lǐng)未來(lái)工程需求的人才。②新結(jié)構(gòu)。要從專業(yè)結(jié)構(gòu)、課程及知識(shí)體系方面進(jìn)行革新。③新方法。即教育、教學(xué)的新方法[2]。由此可見(jiàn),“新工科”為工程類課程的教學(xué)改革提出了新的標(biāo)準(zhǔn)和方向。

在“新工科”理念下,化工原理作為化工與制藥類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程及化工行業(yè)的理論基礎(chǔ),應(yīng)將先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備與教學(xué)結(jié)合,打造新型特色課程和品牌課程,以適應(yīng)新形勢(shì)下多元化、創(chuàng)新型、應(yīng)用型專業(yè)人才的培養(yǎng)模式,形勢(shì)嚴(yán)峻,任重道遠(yuǎn)。

where n is a factor, which when equal to unity gives the minimum dislocation density, and D is the crystallite size.

2. 微反應(yīng)器替代傳統(tǒng)反應(yīng)器是必然趨勢(shì)

微化工技術(shù)是集微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和化學(xué)、化工基本原理于一體,結(jié)合集成電路和微反應(yīng)器制造技術(shù)的一種高新技術(shù)。這一技術(shù)旨在研究微尺度條件下的化工過(guò)程特征和反應(yīng)規(guī)律,實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程的安全性、高效性、可控性?，F(xiàn)階段,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為全球化工過(guò)程本質(zhì)安全領(lǐng)域的研究前沿。

微反應(yīng)器技術(shù)作為微化工技術(shù)的核心技術(shù)之一,是目前化工技術(shù)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。微反應(yīng)器是一種具有微結(jié)構(gòu)的管道式反應(yīng)器,內(nèi)部通道直徑一般為幾微米到幾百微米。微反應(yīng)器具有較強(qiáng)的傳熱和傳質(zhì)能力,可以替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室間歇反應(yīng)器皿,如燒瓶、試管等,從而大幅度提高反應(yīng)過(guò)程中的資源及能量的利用效率,減小過(guò)程系統(tǒng)的體積或提高單位體積的生產(chǎn)能力。此外,在微反應(yīng)器內(nèi),化學(xué)反應(yīng)以平推流的方式進(jìn)行推進(jìn),反應(yīng)物混合均勻、接觸完全,不會(huì)在反應(yīng)器內(nèi)有過(guò)多的滯流量,即便是高活性的反應(yīng)物也能夠較快地消耗掉,這就確保了實(shí)驗(yàn)的安全性。因此,微反應(yīng)器可將實(shí)驗(yàn)室的小試條件以“數(shù)增放大”的方式進(jìn)行工業(yè)化放大,達(dá)到每年數(shù)萬(wàn)立方米的生產(chǎn)規(guī)模,實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程的強(qiáng)化、微型化和綠色化。由此可見(jiàn),利用微反應(yīng)器技術(shù),可以有效避免傳統(tǒng)化工工藝中小試、中試及工業(yè)化放大中的放大效應(yīng),縮短工藝研發(fā)周期。此外,特殊化學(xué)反應(yīng),如強(qiáng)放熱反應(yīng)、高毒性反應(yīng)均可通過(guò)微反應(yīng)器順利完成。因此,微反應(yīng)器為化工過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和本質(zhì)安全研究開(kāi)辟了新的發(fā)展方向。

鑒于微反應(yīng)器技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì),世界各國(guó)的很多化工專業(yè)人才都致力于該領(lǐng)域的科技研發(fā)與工業(yè)轉(zhuǎn)化。自20世紀(jì)80年代以來(lái),以美國(guó)和歐洲為代表的石化、醫(yī)藥企業(yè)如Velocys、Corning、Shell、BASF、Bayer、Merck等巨頭公司就已積極投入微化工技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用中,并已在精細(xì)化工、生物制藥等領(lǐng)域取得了一系列工業(yè)進(jìn)展。歐美公司非常重視新技術(shù)的研發(fā)與保護(hù),針對(duì)微化工技術(shù)的研發(fā)成果申請(qǐng)了大量的核心專利保護(hù),并非常重視全球市場(chǎng)的專利布局。國(guó)內(nèi)對(duì)于微反應(yīng)器技術(shù)的研究主要集中在中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、清華大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)等科研院所,以及以中國(guó)石油化工集團(tuán)公司、山東豪邁化工技術(shù)有限公司和杭州沈氏節(jié)能科技股份有限公司為代表的公司,雖然專利數(shù)目較多,但均以本國(guó)申請(qǐng)為主,缺少國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

因此,微反應(yīng)器替代傳統(tǒng)反應(yīng)器是未來(lái)工業(yè)化生產(chǎn)的必然趨勢(shì)。在“新工科”背景下,微反應(yīng)器技術(shù)必將是未來(lái)的化工人才必須掌握的一門(mén)技術(shù)。中國(guó)微反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展充滿希望和挑戰(zhàn),未來(lái)的化工人才任重道遠(yuǎn)。將微反應(yīng)器技術(shù)與化工原理教改進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,在學(xué)生學(xué)習(xí)化工基礎(chǔ)理論知識(shí)的初期就進(jìn)行微反應(yīng)器技術(shù)的滲透,有助于創(chuàng)新型、應(yīng)用型化工人才的培養(yǎng)及中國(guó)微化工行業(yè)的發(fā)展。

三、 微反應(yīng)器技術(shù)與化工原理教改結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)階段,微反應(yīng)器是國(guó)內(nèi)外高校和企業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)新產(chǎn)品和新過(guò)程研發(fā)的重要平臺(tái)。微反應(yīng)器在微時(shí)空尺度下“三傳一反”的特征和規(guī)律與化工原理中單元操作的理論基礎(chǔ)是一致的。因此,將微反應(yīng)器技術(shù)與化工原理課程教學(xué)結(jié)合的可行性比較高。本文分析認(rèn)為將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合具有3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

1. 有助于提升教學(xué)效果

化工原理主要研究化工生產(chǎn)過(guò)程中各種單元操作。各單元操作按照基本規(guī)律可歸結(jié)為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞,與微反應(yīng)器“三傳一反”的特征和規(guī)律是一致的,因此。將二者結(jié)合進(jìn)行教學(xué),有助于學(xué)生對(duì)單元操作基礎(chǔ)理論的理解。

2. 有助于學(xué)生對(duì)微反應(yīng)器技術(shù)的了解

化工單元操作包括過(guò)程原理和設(shè)備兩部分。傳統(tǒng)教學(xué)中,設(shè)備部分的學(xué)習(xí)只能依賴圖片、動(dòng)畫(huà)及實(shí)驗(yàn)裝置,學(xué)生不能與實(shí)際化工設(shè)備近距離接觸。在教學(xué)中引入微反應(yīng)器模型,引導(dǎo)學(xué)生思考其工作原理及模式,有助于學(xué)生盡早了解化工方面的前沿技術(shù),對(duì)于他們后期的學(xué)習(xí)、工作及科研定位都起著十分重要的作用。

3. 有利于微反應(yīng)器技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展

現(xiàn)階段的微反應(yīng)器技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中還有很多技術(shù)難點(diǎn),例如堵塞問(wèn)題、腐蝕問(wèn)題、成本問(wèn)題、集成問(wèn)題、特殊反應(yīng)受限問(wèn)題等。這些問(wèn)題的解決依賴于未來(lái)的化工人才,而微反應(yīng)器技術(shù)與化工原理教學(xué)的結(jié)合恰恰有助于這種優(yōu)秀工程人才的培養(yǎng)。

綜上所述,將微反應(yīng)器技術(shù)與化工原理教改進(jìn)行結(jié)合,既能在一定程度上解決化工原理教學(xué)現(xiàn)存的部分問(wèn)題,又能推動(dòng)人才的培養(yǎng)和微化工行業(yè)的發(fā)展。

四、 微反應(yīng)器技術(shù)與化工原理教改的結(jié)合點(diǎn)

由于微反應(yīng)器著重研究微時(shí)空尺度下“三傳一反”的特征和規(guī)律,而化工原理所有的單元操作幾乎都可以歸類為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。因此,在教學(xué)中二者可以很好地結(jié)合。

1. 在流體流動(dòng)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)中引入微反應(yīng)器

(1) 連續(xù)性方程。連續(xù)性方程是化工原理中流體流動(dòng)單元操作的重要方程,很多流體流動(dòng)問(wèn)題的解決都要以連續(xù)性方程為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。在微反應(yīng)器分離的三維結(jié)構(gòu)中,內(nèi)部通道直徑一般為幾微米至幾百微米,單一液相流體在通道內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律滿足連續(xù)介質(zhì)假定,因此,連續(xù)性方程仍然適用。

(2) 流體流型分析。在化工原理中,流體的流型分為兩種,分別是層流和湍流,其判斷依據(jù)為雷諾數(shù)Re的大小。一般情況下較粗的管路中心容易形成湍流,而在較細(xì)的管路中,層流內(nèi)層的厚度較大,流體整體為層流狀態(tài)的可能性較高。大部分微反應(yīng)器采用連續(xù)操作的方式,對(duì)于均相體系,小通量的微通道內(nèi)流體的Re較小,流型以層流為主,少量大通量的微反應(yīng)器可以在較高的流速下達(dá)到湍流。

(3) 管路設(shè)計(jì)與流體混合。管路設(shè)計(jì)的原則嚴(yán)謹(jǐn)而復(fù)雜,不同的管路設(shè)計(jì)對(duì)流體混合方式產(chǎn)生直接的影響。在傳統(tǒng)的混合設(shè)備中,一般為湍流式混合,由于尺度限制,該混合方式在微通道反應(yīng)器內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)化工原理中流體流動(dòng)相關(guān)知識(shí),可以依靠層流混合和局部二次流混合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)湍流[4]。

層流混合依靠分子擴(kuò)散進(jìn)行,因此,通道尺寸越小越有利于提高混合效率。微反應(yīng)器主要是通過(guò)在微通道中設(shè)計(jì)分支結(jié)構(gòu),使流體發(fā)生一次或多次分層,導(dǎo)致物料微團(tuán)間的距離成倍減小,從而縮短混合時(shí)間,實(shí)現(xiàn)快速高效混合。

局部二次流混合主要依賴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在通道中形成局部的渦流或混沌對(duì)流,使物料分散、變形,從而增大接觸面積,以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化混合,例如工業(yè)化前景較好的T型撞擊流微混合器。

2. 在傳熱教學(xué)中引入微反應(yīng)器

很多化工事故的發(fā)生源于熱失控,因此,熱量控制是化工反應(yīng)的重中之重。由于微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的特殊性,內(nèi)部流體的比表面積高達(dá)104～106m2/m3,流體與壁面之間能夠高效地進(jìn)行熱交換。對(duì)于圓管內(nèi)的層流流動(dòng),管壁溫度維持恒定時(shí),由公式Nu=hd/k=3.66可知,傳熱系數(shù)h與管徑d為反比關(guān)系,管徑越小,越有利于傳熱[5]。另有研究表明,微反應(yīng)器的相間體積傳熱系數(shù)為傳統(tǒng)設(shè)備的10～50倍[6]。因此,利用微反應(yīng)器開(kāi)展化學(xué)反應(yīng)可以有效控制傳熱。

3. 在傳質(zhì)教學(xué)中引入微反應(yīng)器

微反應(yīng)器的相間體積傳質(zhì)系數(shù)可以達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)備的10～1 000倍[6]。一方面,微反應(yīng)器內(nèi)部的通道直徑一般為幾微米到幾百微米,內(nèi)部液滴和氣泡的分散尺度也限制在這一范圍內(nèi),這就保證了納米級(jí)的混合尺度;另一方面,通道的多樣性有利于內(nèi)循環(huán),促進(jìn)反應(yīng)物料的快速混合,進(jìn)而保證反應(yīng)器內(nèi)物料分布的均勻性和反應(yīng)過(guò)程的一致性。對(duì)于圓管內(nèi)層流流動(dòng),由公式Sh=kcd/DAB=3.66可知,當(dāng)組分A在管壁處的濃度維持恒定時(shí),傳質(zhì)系數(shù)kc與管徑d成反比,管徑越小,越有利于傳質(zhì)。由于微通道內(nèi)流動(dòng)多屬層流流動(dòng),主要依靠分子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)流體間混合, 由公式t=d2/DAB可知,混合時(shí)間t與通道直徑的平方d2成正比,與之前的結(jié)論一致,管徑越小,越有利于傳質(zhì)[5]。由此可見(jiàn),通道直徑d的減小能大大強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程。

4. 在傳統(tǒng)反應(yīng)器的學(xué)習(xí)中引入微反應(yīng)器

與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比,微反應(yīng)器占據(jù)很大的優(yōu)勢(shì),隨著微反應(yīng)器技術(shù)的快速發(fā)展,微反應(yīng)器必將替代傳統(tǒng)反應(yīng)器,實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的一場(chǎng)大變革。因此,在化工生產(chǎn)裝置,尤其是反應(yīng)器的學(xué)習(xí)中,對(duì)比傳統(tǒng)反應(yīng)器介紹微反應(yīng)器及其優(yōu)勢(shì),有助于學(xué)生對(duì)這一新技術(shù)的掌握。微反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在4個(gè)方面[7]。

(1) 安全性高。反應(yīng)體積小是微反應(yīng)器最突出的特點(diǎn),即使是大通量的微反應(yīng)器,其內(nèi)部通道直徑最多可達(dá)到幾毫米,高活性的反應(yīng)物在微反應(yīng)器內(nèi)存留量少而且快速地被消耗,所以微反應(yīng)器非常適合完成劇烈的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。同時(shí),微反應(yīng)器中反應(yīng)原料的量為微量級(jí)別,即使用到毒性較大的原料,也能將反應(yīng)過(guò)程控制在安全范圍之內(nèi),進(jìn)一步降低了出現(xiàn)危險(xiǎn)的可能性。

(2) 可控性好。主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。①對(duì)反應(yīng)溫度的控制。微反應(yīng)器較大的比表面積可以實(shí)現(xiàn)高效換熱,避免了強(qiáng)放熱反應(yīng)中由于散熱不及時(shí)導(dǎo)致的局部過(guò)熱現(xiàn)象。②對(duì)反應(yīng)時(shí)間的控制。微反應(yīng)器對(duì)其微管中的物料采取連續(xù)平推流的操作方式,故物料的停留時(shí)間可以通過(guò)微管的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)控,從而避免了因反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生副產(chǎn)物。③對(duì)物料配比的控制。傳統(tǒng)反應(yīng)器中由于混合不均勻,容易導(dǎo)致某一反應(yīng)物局部過(guò)量,而微反應(yīng)器的反應(yīng)通道在微米級(jí),物料可以按配比快速地均勻混合,從而避免由于物料局部過(guò)量而產(chǎn)生副產(chǎn)物。

(3) 無(wú)放大效應(yīng)。傳統(tǒng)的工藝放大采用的是放大反應(yīng)器尺寸的方法,容易導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)、混合尺度分布變寬,故工藝參數(shù)需要在小試的基礎(chǔ)上進(jìn)行多次調(diào)整。而用微反應(yīng)器進(jìn)行工藝放大時(shí)采用“數(shù)增放大”,即增加微通道數(shù)量的方法,故小試條件可以直接用于工業(yè)化生產(chǎn),不存在放大效應(yīng),從而縮短了產(chǎn)品從研發(fā)到上市的周期。

(4) 環(huán)保經(jīng)濟(jì)性較好。傳統(tǒng)化工技術(shù)在生產(chǎn)上依賴于大型反應(yīng)設(shè)備,存在放大效應(yīng),導(dǎo)致原料和能源消耗大、產(chǎn)物收率低。微反應(yīng)器在小試反應(yīng)條件下,以“數(shù)增放大”的方式進(jìn)行放大生產(chǎn),可有效提高產(chǎn)出率,并減少副產(chǎn)物和其他有害物質(zhì)的排放,實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

五、 結(jié) 語(yǔ)

“新工科”為新時(shí)代工程人才的培養(yǎng)提出了新的標(biāo)準(zhǔn)和要求,同時(shí)也對(duì)工程類課程的教學(xué)提出了挑戰(zhàn)?；ぴ硎腔づc制藥類專業(yè)學(xué)生的第一門(mén)工程類專業(yè)基礎(chǔ)課,強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的結(jié)合,為后續(xù)的化學(xué)工程相關(guān)課程如化學(xué)反應(yīng)工程、化工設(shè)計(jì)、化學(xué)分離工程等奠定基礎(chǔ)。但是,目前國(guó)內(nèi)大部分高校對(duì)于化工原理及化工原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)安排存在一定的問(wèn)題,其中教學(xué)內(nèi)容不能與時(shí)俱進(jìn)最為凸出。因此,如何在教學(xué)改革中有效地將化工前沿新技術(shù)引入化工原理教學(xué),以適應(yīng)“新工科”概念下高素質(zhì)人才的培養(yǎng),是時(shí)代賦予高校與教師的使命。

微反應(yīng)器是現(xiàn)代化工新型設(shè)備的研究熱點(diǎn),具有換熱和傳質(zhì)效率高、控制性好、安全性能高、易于放大等特點(diǎn),順應(yīng)了高技術(shù)含量和可持續(xù)發(fā)展的要求。微反應(yīng)器“三傳一反”的特征和規(guī)律與化工原理中單元操作的理論基礎(chǔ)是一致的。因此,將微反應(yīng)器技術(shù)引入化工原理教學(xué)具有很高的可行性,有助于學(xué)生對(duì)于化工前沿技術(shù)的了解,促進(jìn)化工行業(yè)創(chuàng)新型、應(yīng)用型專業(yè)人才的培養(yǎng)。此外,隨著對(duì)微反應(yīng)器技術(shù)研究的深入,其優(yōu)異的性能也越來(lái)越被大家認(rèn)知,但是作為一個(gè)新興的技術(shù)和領(lǐng)域,人們對(duì)微尺度下多相流行為,微流體間傳熱、傳質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不夠深入和完善,現(xiàn)有的微反應(yīng)器還存在很多缺陷,新型的微反應(yīng)設(shè)備有待開(kāi)發(fā),培養(yǎng)具有微反應(yīng)理念的創(chuàng)新型、應(yīng)用型化工人才是時(shí)代所需。