化工反应工程实验教学改革与实践

杨亚平 陈锐杰 路春娥

摘要 分析东南大学成贤学院化工反应工程实验课程的现状，介绍化工反应实验在教学设备开发和改进、教学内容、教学方法和教学手段等方面进行改革的具体做法。实践表明，改革有利于学生反应工程实验技能和综合素质的提高，确保教学质量的提高。

关键词 化工反应工程实验；教学改革；实验技能

中图分类号：G642.423文献标识码：B文章编号：1671-489X(2012)12-0117-03

Reform and Practice in Teaching Chemical Reaction Engineering Experiment//Yang Yaping1, Chen Ruijie1, Lu Chune2

Abstract By means of the course status analysis, this article describes specific practices of reform on equipment development and improvement, teaching content, teaching methods, assessment methods of Chemical Reaction Engineering experiment in Southeast University Chengxian College. Practice shows that the reform will help improve the skills in organic synthesis experiments and overall quality of students, ensure the improvement of teaching quality.

Key words chemical reaction engineering experiment; teaching reform; skills in experiment

Authors address

1 Department of Chemical and Pharmaceutical Engineering of Southeast University, Chengxian College,

Nanjing, China 210088

2 School of Chemistry and Chemical Engineering of Southeast University, Nanjing, China 211189

化学反应工程是化学工程的一个分支，简称反应工程，于20世纪50年代才开始逐渐形成。化学反应工程课程是一门综合性、工程性和理论性都很强的课程，既有工程问题的共性特点，又有工艺过程的个性特征。本课程要求学生有较为扎实的物理化学、化工原理、化工热力学、工程数学和计算机基础。化学反应工程课程教学内容覆盖基本理论、实验教学两个教学环节，与化学反应工程理论课程相配套的实验课程化工反应工程实验，是一门化学工程与工艺专业高年级化工类专业实验的必修课[1-3]。本实验课程根据化学工业的生产特点，以动力学为基础，通过定量计算、实验技能和设计能力的训练，培养学生牢固的工程观点，使学生对化工生产中常用的反应器有一个深层次的了解。通过该课程的学习，培养了学生运用基础理论分析解决各种实际工程问题的能力，为化工行业培养具有科研、设计和生产实践等方面需要的专业人才。

1 化工反应工程实验课程的现状与分析

东南大学成贤学院是一所以培养应用型人才为目标的独立学院，化工与制药工程系自2007年建系以来，化工反应工程实验一直作为化学工程与工艺专业高年级学生的必修课，是有机化学、无机化学、物理化学和化工原理四大化学课程的一个延伸与拓展。目前，化工与制药工程系化工反应工程实验引进6套实验装置，主要开设了与设备相对应的6个实验，分别是乙苯脱氢制苯乙烯、甲苯氧化制苯甲酸、变压吸附制富氧、非稳态导热系数的测定、单多釜提留时间分布及萃取精馏实验。所有的实验设备和仪器全部采购于某高校，每台实验设备对应一个固定的实验内容，受仪器设备台数条件的限制，同时设备中存在部分设计的局限性，使得反应工程实验始终停留在原有的实验教学模式和教学内容上，在实验大纲和内容上基本沿用了该高校的教学大纲和教学管理模式，没有任何突破和改进。

考虑到学校人才培养模式和定位与该高校有较大的差异，化工与制药工程系专业设置和学生生源质量等诸多方面与该高校也有相当大的差异，如果完全照搬该高校实验课程的设备和教学内容，就会缺乏该系化学反应工程实验自己的课程特色，缺乏实验内容的创新性，在人才培养上就会显得定位不明确，不能完全体现学院自己的办学特色。

2 优化和扩展实验内容

考虑到以上因素，结合目前化工反应工程在化工行业的发展要求，针对原有实验教学内容上的缺点和不足，化工与制药工程系先后进行一系列的教学改革和实践，主要从以下几个方面进行优化和扩展。

2.1 开发和改进实验设备

目前，化工行业发展迅猛，尤其是新工艺新设备更新换代迅速，原有的很多化工操作单元已经不能完全适应化工行业的发展需求。例如，化工产品的分离提纯是化工行业最普遍操作单元，主要包括减压蒸馏、萃取精馏、加压精馏和加盐精馏等。而该系化学反应工程实验中只有一套精馏萃取装置，而在减压精馏、加压精馏、加盐精馏等提纯分离方面，学生只是停留在课堂理论的基础上，缺乏对这些化工分离操作的实践认知和操作过程训练。

为了适应这一化工行业的发展需求，学院特别针对化工反应工程实验进行了教学改革，方案中专门对化工反应工程实验的装置进行了设计和改造，在院大学生实践创新活动中，组织专门的教师和学生进行实验装置的设计与改造。学生在此次创新活动中，对化工原理、化工热力学、机械制图等方面的知识进行了系统的巩固和综合提高。经过一年的努力，利用实验室现有的场地，自行设计了精馏实验装置和气液反应实验装置等两套设备装置，设计的装置在材质和仪表控制上都做了改进，改变了以往玻璃材质耐压和耐高温性能差、仪表和输液泵不够精确的特点。新设计的精馏实验装置能够实现萃取精馏、加压精馏、加盐精馏等多种分离提纯操作，新设计的气液反应实验装置能够对很多典型的气液反应实验进行操作。

另外，还改进了化工反应工程实验现有设备中的一些设计缺陷和不足。如在甲苯氧化实验中冷凝效果不佳，于是增加二级空气冷凝管使冷却效果大大改善；在乙苯脱氢制苯乙烯实验中，原料必须先校正流量配比后方可输入反应釜中，但由于反应位置与校正位置高度相差较大，导致原料进料配比与校正进料配比相差，于是通过改变输液泵类型、液位槽位置等手段，使得反应配比更加准确，使反应收到很好的效果。

2.2 丰富实验教学大纲的内容

为了丰富和扩展化工反应过程实验教学大纲的内容，提高教学质量，不仅利用现有的设备开发出了新的实验内容，提高了现有设备的利用率，同时利用自行设计的实验装置，增加了新的实验内容。如新增了化工产品分离提纯实验和气液分离实验的内容，主要包括减压精馏、加压精馏、加盐精馏、气液反应等实验操作内容，如丙醛脱水实验属于加压精馏实验，对二异丙苯氧化反应实验属于气液反应实验。另外，利用现有的设备开发出更多的实验内容。例如，利用乙苯脱氢的实验装置，增加了化工反应过程中典型的流化床反应器的操作内容。通过增设这些化工反应过程中典型的操作单元实验内容，丰富了化工反应工程教学大纲[4]，使化工反应工程实验操作过程和方法紧跟化工行业发展的脚步，体现了学院对应用型人才培养的特点。

2.3 建立化工反应工程实验工作站和仿真实验平台

为了模拟和优化化学反应工程实验的实验条件、工艺参数，同时克服现有实验设备数量的局限性，对现有的几个化工反应工程实验建立了的工作站和仿真实验平台。通过工作站处理软件对实验数据的现场采集，可以快速地进行数据处理和分析，及时有效直观地对实验结果进行评价，同时减少人为因素处理数据的误差和繁琐，提高了实验教学效率[5]。另外，通过建立仿真实验平台，可以模拟不同条件下化工反应的控制过程，特别是一些受设备条件限制（如高温高压条件）的实验过程，对实验操作过程具有一定的理论依据和指导意义。

2.4 实验内容中增加产物表征操作

化学反应工程实验中，在数据分析与处理中有的设备配备有专门的数据处理软件，直接对实验数据进行分析处理，学生实际动手操作的机会就相对较少。为了改变这种状况，在实验内容中加强实验反应过程的监测、实验结果表征方面的实验内容。如利用气相色谱仪监测反应过程中反应液的含量来判断反应进程，通过热导检测器来分析精馏萃取液中水分的含量来确定最佳工艺条件，利用碘量法测定过氧化物的含量，等等。学生不仅在整个实验过程中操作技能得到锻炼和提高，同时对数据的处理分析、产物的表征、谱图的解析等方面都得到了学习和提高。

3 加强过程管理，改进实验教学方法

实验过程管理是实验教学内容的重要组成部分，是保障实验教学质量的重要环节。化学反应工程实验属于大型设备实验，是一门操作少而理论性相对较强的实验教学，加强过程管理，形成化工反应工程实验教学的学科特色，提高实验教学质量和水平十分重要。

3.1 加强实验过程控制

化工反应工程实验学时数相对较长，学生等待和空闲的时间较多。为了充分利用实验过程中的等待时间，使实验学时数更加饱满，实验过程中加强巡视，强调实验过程中实验现象的观察、数据的采集整理和分析。在整个实验过程中，学生的实验操作能力、数据分析、谱图解析、结果的分析与讨论等各方面的能力都得到全面的锻炼和提高。

3.2 合理分配循环实验时间

化学反应工程实验由于受到实验特点和台件数的限制，目前大都采用循环方式安排实验，这就存在多个学生操作同一台仪器设备的情况，使得有些学生得不到操作和锻炼的机会。为了改善这种状况，采用分组细化的方法，即同一台仪器操作过程中，按照实验学生数量来改变工艺条件参数进行分组实验，尽可能地让每个学生都有动手操作的机会。同时，由于工艺条件参数的不一样，使得学生实验操作过程、实验数据处理及结论也不完全一致。这样既让更多的学生得到了训练和提高，也改善了大量实验数据重复，同组间学生实验报告抄袭雷同的现象。

3.3 树立牢固工程观念，培养工程分析能力

化工生产过程错综复杂，为了让学生更好地掌握化工反应实验过程理论知识和实践水平，透过现象看本质。在实验教学过程中，教师应从分析工程因素的本质及反应特征入手，突出强调过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响。如通过实验中工艺条件及参数的变化来分析实验结果的影响，让学生通过实验来分析化工反应过程的基本规律，引导学生掌握化工反应工程研究的基本方法，使学生树立牢固的工程观念，培养学生采用工程分析方法来分析和解决工程实际问题的能力。

4 改革实验考核方法，综合评定学生成绩

综合评定学生的实验成绩是考察实验教学效果的一个重要途径，化工反应工程实验以往主要从预习报告和实验报告等方面进行考评。由于化工反应工程实验主要是以工业反应过程为主要研究对象，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响，因此，考虑到化工反应工程实验课程的特殊性，在学生成绩评定中，应适当增加学生实验操作技能、实验数据处理、实验结果分析与讨论等方面的评分比例，同时对学生的出勤、预习报告、实验报告完成情况、实验态度及卫生等划分不同的权重进行考评，多方面综合评定学生的实验成绩，而不再把实验结果的好坏作为衡量实验成绩的唯一标准。即便学生的实验结果不理想，但在实验报告中能做好实验数据的处理、实验结果的分析与讨论，从而找到失败的原因，就可以获得较好的实验成绩。通过这些考核制度的改革，培养了学生实事求是的科学态度，同时，学生的实验技能、数据处理和分析能力等综合能力都得到很大的提高。

5 结束语

虽然实施化学反应工程实验教学改革与实践时间不长，但已经收到了较好的成效。例如，化工与制药工程系在金陵石化、扬子石化认识实习和下场实习过程中，学生表现出比较强的动手操作能力和工程实践能力；在毕业设计阶段，学生表现出较强的操作技能、独立工作能力和综合实验能力；另外，有相当一部分学生在扬子总控工和高级工的培训中顺利通过考试，取得了总控工和高级工的资格证书。然而也清醒地看到，实验教学改革与实践是一个持续的过程，

化工与制药工程系应顺应化工行业变化的形势和发展要求，不断深化教学改革，充分发挥学生的主体作用，不断优化和完善教学模式和管理水平，突出专业内涵建设，不断提高教学水平，加强实验室建设，着力提高实验教学水平。尤其在化学反应工程实验中增设创新性、开放性实验内容，还有待进一步的探索和研究。

参考文献

[1]王承学,胡永琪,郭锴.化学反应工程[M].北京:化学工业出版社出版,2008.

[2]张雅明,谷和平,丁健.化学工程与工艺实验[M].南京:南京大学出版,2006.

[3]房鼎业,乐清华,李福清.化学工程与工艺专业实验[M].北京:化学工业出版社出版,2000.

[4]周国权,洪晓波,邵丹凤,等.化学反应工程教学改革与实践[J].宁波工程学院学报,2009,21(3):100-103.

[5]周涛,谭军,叶红齐,等.化学反应工程课程教学内容和课程体系改革[J].化工高等教育,2006(3):26-30.