基于工程能力培养的《化学反应工程》课程改革与实践

韩永军 王 莉

(平顶山学院化学与环境工程学院，河南 平顶山 467000)

化学反应工程是一门研究工业反应过程的开发和反应器设计、优化、放大的工程学科[1]，目标是培养学生分析、解决工业反应器设计、操作和控制中遇到的实际工程问题的能力。学生在学习时普遍感到理论抽象，数学推导烦琐，工程问题多。本科生的工程背景知识不足，难以将反应工程基本原理与工业反应过程有效结合，将知识内化为能力[2,3]。

课堂教育是传授知识，培养学生思维能力的主要途径。我们以加强工程设计训练为主线，以化工企业实际工程技术需求为导向，以理论教学围绕工程问题讲解，深化书本理论知识、强化工程应用能力。

目前教学中存在的主要问题有工程思维弱化，基本概念掌握不够牢靠，工程设计能力基本为零[4]，因此课程教学急需解决的关键问题是通过理论教学，培养学生的工程思维和工程设计能力。

1 教学改革思路、教学改革具体措施和方法

1.1 倡导工程思维，牢固掌握基本概念

为建立完整的工程观点，在教学过程中着重培养工程思维方法，充分应用基础知识，在理论和实践上培养学生建立工程思维方法。以化学反应过程中的返混问题为例，返混是反应器中流体流动和反应叠加而形成的重要工程概念，它是化学反应器中十分生动，又对化学反应结果影响特别大的工程因素。在返混这一概念的学习中，学生往往把间歇过程中物料搅拌混合与连续过程混为一谈。间歇过程的物料是一次性全部投入反应器的，是相同年龄、相同浓度的物料之间的混合，而连续过程是不同停留时间、不同浓度的物料间的混合，二者之间有本质的区别。既然返混的结果是造成反应场所反应物浓度的降低，那么与降低反应场所反应物浓度的工程措施对反应结果的影响是等效的。例如，降低反应器进料中反应物的浓度、提高反应过程转化率、用惰性气体稀释原料等都与返混是等效的。因此，教学过程中把两种混合过程进行形象的描述，使学生自己通过思考得出结论，以帮助学生建立牢固而清晰的工程观点。

1.2 围绕解决工程问题组织理论教学

化学反应工程课程与工程实际密切相关，最终要为解决生产实际中的工程问题服务。我们以往的教学中注重传授书本知识，理论与生产实际联系较少，学生虽然掌握了化学反应工程的基本原理，但面对反应过程开发、反应器设计等实际工程问题时仍然无从下手，知识应用能力较差。为此，我们提出了围绕“解决工程问题”组织理论教学的理念。教学中讲清基本概念、基本理论后，重点介绍理论知识在解决实际工程问题中的应用，突出工程设计意识和方法的训练，以设计型问题为引领，剖析各类反应过程的开发设计思路。各章节的教学都进行基本理论所涉及的工程问题分析，如有哪些工程因素会影响化学反应过程，有利还是有害?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。培养学生反应器开发设计的正确思路：(1)研究反应系统计量学特征，了解反应属于简单反应还是复合反应；(2)研究反应动力学特征；(3)反应器选型；(4)传递过程对反应结果影响的研究；(5)过程综合，建立反应器数学模型，通过计算或实验确定模型参数；(6)进行热态实验，完善模型。另外，在教学中尽可能多地增加工程设计案例分析。通过具体案例，学生可以进行模仿练习，从中学习解决工程实际问题的思路和方法。

1.3 运用工程分析方法，解决问题

在化学反应过程中，影响反应结果的因素可分为二类。一是与设备大小无关的反应动力学因素，即化学因素，这是过程的个性，每个反应各不相同；二是与设备大小密切相关的传递过程因素，即工程因素，这是过程的共性，同类反应器的传递特性是相同的，不因进行的反应过程而变化，但与反应器大小密切相关。从本质上看，工程因素对反应结果的影响，是通过流体流动、传质和传热等物理过程，改变了反应场所的浓度和温度分布，再通过反应动力学的特征间接地影响反应结果。

如前面所述的返混，已知返混使反应物的浓度降低，那么对反应结果有何影响呢?对这个问题，要根据反应过程的特征，具体问题具体分析。例如，对串联反应而言，浓度降低总是造成反应选择性的下降，返混的影响总是不利的；而对平行反应而言，根据反应选择性的动力学特征，主反应级数低于副反应级数时，浓度降低是有利的，此时返混是有利的，而反之则是不利的[5]。

1.4 融入化工设计比赛，培养工程设计能力

化工项目的工程设计包括生产方案、流程设计、工艺设计、设备设计、安全环保、土建、经济评价等多项内容。我们在大三开设第二课堂，主题为化工设计比赛，通过设计比赛提高学生的工程设计能力。将气固相固定床催化反应器、管壳式换热器、板式精馏塔等典型化工单元操作装置的设计融入到化工产品工艺流程设计。在设计过程中，要求学生树立认真严谨、科学求是的工程观念。化学反应工程课程设计中，学生分组完成设计，自行查阅文献资料、查找设计方法、搜集计算公式、选择工艺参数，完成后撰写设计说明书。设计过程中，学生之间广泛讨论，商讨设计方法，学习氛围浓厚。通过该课程设计，学生对固定床催化反应器的形式和特点，固体催化剂的性能、内扩散有效因子的概念和计算方法，平衡温度曲线的概念和绘图方法，最佳温度曲线的概念和绘图方法，各段进出口温度、进出口转化率的最佳分配方法，利用本征动力学方程计算反应时间的方法，催化剂用量的计算及校正方法，反应器直径、高度及其他附件尺寸的计算方法等知识点，有了深刻的理解和较好的掌握。

2 教学改革预期成效

化学反应工程是一门工程学科，需要学生在掌握基本概念、基本内容的同时，学会分析工程问题、解决工程问题的方法。在化学反应工程教学实践中也始终把握这一点，采用工程思维方法和工程分析方法组织教学内容，有效地提高了学生学习的主动性，使教学过程成为思维方法、分析能力的训练和培养过程，使学生把所学的知识转化为认识规律、运用规律、解决工程问题的能力，适应新世纪人才培养模式对人才素质的要求。

将课程设计融入化工设计比赛，我校2014级、2015级化学工程与工艺专业于第五学期开展化工设计比赛，深受广大学生的欢迎并积极参与，取得了良好的教学效果，比赛优胜组已参加2017、2018年度全国化工设计竞赛，并获得优异的成绩。

3 结语

通过基于工程能力培养的《化学反应工程》教学改革，学生工程设计能力得到很大提升，为实现人才培养与行业需求的无缝接轨，使学生在走上工作岗位后能较快适应实际工作需要，奠定了良好的基础。