新工科教学化学反应工程课改基本思路

＊陈亚辉 胡立兵 朱纪奎 戴勋 张红喜

（塔里木大学化学化工学院 新疆 843300）

为实现我国在第四次工业革命中弯道超车，提供具备国际竞争的人才支撑，培养符合时代要求的具有创新型卓越工程科技人才，既是当务之急，也是长远之策。面对复杂化工工程向新工科转化对学生的知识、能力、素质要求更高。为本科毕业生未来能够胜任解决化工领域复杂工程问题，从理论知识运用、问题解决，到开发、研究和设计，到使用现代工具、结合工程理念与社会做到无缝接轨，并具有终身学习等能力，实现新工科提出的各项毕业要求[1]。以此为基，新视角审视《化学反应工程》被赋予了新的科学内涵。

《化学反应工程》作为化学工程与工艺专业及其相关相近的能源、精细等化工专业的专业核心课程。无论学校层次高低师生们普遍认为该课程难教也难学，其原因在于其鲜明的模型和模型化特点[2]。如何破解反应工程模型和模型化思想方法给教学带来的问题，是教学教改的瓶颈之一。为了解决这一教与学的瓶颈，先建立只有物理过程模型的理解，再建立对化学反应过程和工程化过程的物理模型的理解。以学科研究的“对象、方法”培养学生对复杂对象构建模型，并用模型化方法解决问题的思路，注重理论基本功的基础构建和创新思维，培养学生有厚积薄发的能力，把新工科建设落实到实处。

1.研究对象

诸学科的问题都可视作复杂系统[3]。对某一个复杂问题而言，在变得可分析之前，首先要必须对它进行充分清晰的表述，然后才能提出准确具体的问题是什么，这种简化本身被当做一个问题来解决。简化可能是粗糙的，但可以先得到一个简化过程的分析结果，再进行修改、改进及巩固。事实是，即使粗糙状态它也是首要的、必要的，因为它使分析变得可行并指导分析，这永远是科学的一大进步[4]。把它运用于一门学科的建立或学习是从划定框架范围开始，是所有科学研究的首要问题，必经之路。

《化学反应工程》[5]是以既有反应又有物理现象的化学反应过程又有物理现象的流体流动、混合状态及相间的传递过程的复杂系统为研究对象。对化学反应工程所划定框架范围是研究在工业规模的反应器中进行的化学反应过程，按目前成千上万的反应，无论哪个反应在化学反应工程的研究中，都是以化学反应速率为主线，兼顾过程中的三传及其变化规律，并定量表达，最终完成工业反应过程的开发、放大、优化设计和操作的任务。研究时，将一个复杂系统分解为诸多“子系统”。例如，反应过程分均相反应过程和非均相反应过程，非均相反应过程又分气固、气液、液液、液固相等；反应系统中的化学反应按同时进行的反应个数分类有单一反应和复合反应，单个反应又通常分为单一反应和特殊形式的自催化反应，复合反应又分并列反应、平行反应、连串反应等。研究对象划定框架范围大小、先后等级可为“子系统”“孙系统”。尽管是“子系统”“孙系统”界定范畴变小，仍然是复杂系统，以复杂系统理论基础为指导[3]，探究解决问题的普遍化研究方法。

2.研究方法

《化学反应工程》是对某一研究对象进行合理简化，抽象提取其主要特征，而形成一个具体清晰有物理意义的构型[6]。下面主要讨论模型化法和模型修正解决问题的思想。

（1）模型法。所谓模型法是通过对复杂系统过程的分析，以进行合理的简化，即建立所谓物理模型；在物理模型的基础上建立的各特征量用一定的数学方法予以描述，即建立数学模型；使其符合实际过程的规律，然后加以求解。在研究那些无法接近实际表达的复杂系统时采用模型构建的方法。模型给出的并不是某些现象的照片，而是一种能使我们迅速识别出目标的简图甚至草图。复杂系统的理论被称为模型，因为他们常常忽略许多细节，而理想化地用粗略的宏观变量及关系代表系统。这种抽象模型的价值是能够抓住复杂系统的一些关键特征，也就是以主要方面代表全部的思想，用这些关键特征的部分表达整体，为了得出准确或基本准确的解。通过对复杂问题的模型简化处理得到的解析答案，研究者为简化复杂问题提出了假设理想化条件下的因素，在有了透彻的认识后，在理论上探讨它的可能性，并且用这些基础的认知研究解决在实际的、真实条件下的有类似特征的复杂体系问题。这些简化近似的理想模型还能作为新概念的孵化器，以及检验其理论效果，在实验室中模拟验证。事实上，从伽利略提出无摩擦的光滑斜面的例子说明，通过进行审慎的理想化，科学已经获得了巨大进步。

基于上述认知，科学推理的每一步都包含着理想化和近似，解答过程中采用的许多近似实质上都是专业性的，它们有助于问题的表述和求解，从而得出具体情况下的结果。以此，《化学反应工程》中无论设计或操作，都需要对研究对象做出定量的描述，即设计时，确定反应器尺寸（反应所需空间）—设计方程；操作时，确定操作参数值（反应操作条件）—操作方程。面对工业反应器中不仅有化学反应过程发生，还包括流动、混合、传质、传热等物理过程，解决这一复杂系统问题的方法是把生产实践中千变万化的各种反应器的实际反应过程理想化，减少混合和流动带来传递过程对反应影响的不确定性，建立理想反应器模型。理想反应器模型有间歇釜式反应器（BSTR）、稳态全混流反应器（CSTR）和平推流管式反应器（PFR），这三类代表了一个工业反应过程开发，就其核心问题而言需要解决的三方面问题：反应器的合理选型、反应器操作的优选条件和反应器体积及工程放大，在选型上以管式、釜式为代表与间歇操作和连续操作的组合，以及在理想混合和反应器内流体流动的两种极端流动状态平推流和全混流下建立的三种理想反应器，实现理想反应器的设计。

（2）模型修正。模型是把一个复杂系统的几个主要因素一致的突现出来，剩下的因素并非被抛弃。他们继续为整体的直观认识服务。模型的价值在于它能精确地阐明问题，但在精确性、范围和真实性之间还有一个差别。每个模型代表的只是对事物的一个不完整的、部分的认识。模型会有不同的理想化，或者筛选出不同的关键因素，但最终研究是在理想化基础上解决对更现实、更难处理条件下类似特征的实际问题，即对理想模型进行修正。

基于上述思想，以理想气体模型解决真实气体温度、压力和体积关系为例，说明模型法解决问题的方法。建立了理想气体的物理模型，气体不同于液、固体的特征分子间距大、单个分子体积小的特征，描述了一个忽略分子自身体积大小和分子间距大到没有作用力的实际不存在的模型状态，但可用无限接近理想气体状态的实际状态表达，对各种真实气体可近似理想气体计算pVT关系，模型化法建立理想气体状态方程。至于多大压力范围可以使用理想气体状态方程计算pVT关系尚无明确的界限，在应用时取决于对计算结果的要求精度及气体的种类和性质等。目前，许多描述真实气体行为的状态方程大多是引入参数来修正的方法，计算真实气体和理想气体的偏差来提高计算精度。

同理思维，实现了理想反应器的设计，《化学反应工程》接下来要解决实际反应器的模型化法计算。由于理想反应器是在理想流动的前提条件下建立，解决实际反应器的计算就从非理想流动模型着手，建立单参数的多釜串联模型和轴向扩散模型。普遍应用的技巧是简化后要正确反映模拟对象的物理实质的模型，且模型参数一般不应超过两个，以使所建立的数学模型应便于数学处理。利用模型参数对理想流动模型进行修正，引入或者是将理想流动模型与滞留区、沟流和短路等作不同组合，实现了实际反应器计算。在实际工业反应器设计计算中，为了考虑非理想流动的影响，一般总是基于对一个反应进行过程中实际的流动状况，选择一个较切合实际的合理简化的非理想流动模型，如釜式反应器型式的，一般按多釜串联模型求解，通过单釜、多釜反应器测定停留时间分布数据确定停留时间的统计特征值，然后计算模型参数，最后结合反应动力学数据来估算反应结果。

3.示例分析与效果

本文以某一已建立动力学方程的反应体系，确定了最佳的操作条件，如何选择合适的反应器型式，在原料处理量及组成、反应压力和温度，以及最终转化率相同的情况下，比较不同型式反应器的反应体积大小。此题的解决必须清楚，生产实践中千变万化的各种反应器的实际反应过程是复杂的研究对象，解决的方法必须理想化，以简化反应器的设计。根据反应器内流体流动的两种极端流动状态而建立两种理想流动模型和工业反应器的操作方式，设立三种理想反应器模型：间歇釜式反应器（BSTR）、全混流釜式反应器（CSTR）、平推流管式反应器（PFR），依其各自的特征，对反应物而言，在单位时间内对反应器在控制体积范围内作物料衡算，通用的表达式为：

式中，rA—反应物A的反应速率，kmol/(m3·h)；

Vr,ʙ、Vr,ᴄ、Vr,ᴘ—三种理想反应器的有效体积，m3；

Q0—单位时间处理量，m3/h；

CA0—初始反应物浓度，kmol/m3。

列出物料衡算式，推导并计算出不同反应器所需的反应体积。先完成理想反应器设计计算，再结合反应是否需要催化剂、均相和非均相、物料状态、等温控制还是变温、是否变容、压力及偏离理想流动情况等因素，需进一步处理、优化及对理想简化的修正，解决方法基本同出一辙，如反应机理模型、理想流动模型、理想反应器模型、非理想反应器模型、拟均相模型等。对这一方法的多次利用，有助于同学理解复杂对象、简化处理方法、解决问题学习、应用及深度理解。这种学为用，教学效果明显提升。图1是教学改进前后塔里木大学课程试卷分析表学生成绩分布图。

图1 学生成绩分布图

4.结论

在教学过程中，通过对反应工程学科研究“对象、方法”的学习深入理解，培养学生具备复杂系统的理论构架以解决实际问题时如何建立创新思维。以“中国在氢弹原理突破中解决了一系列基础问题，提出了从原理到构形基本完整的设想，起了关键作用”为例，以此来激励学生重视如何构建模型和模型化法理论学习的重要性。

《化学反应工程》中涉及模型建立的知识点较多，问题的解决几乎离不开模型的构建及模型化法的运用。通过对复杂对象的理想化和模型化及修正的解决方法分析，培养学生逐步从具体向抽象过渡，从形象思维向逻辑思维转换，实现打破学科边界，是实现高素质工程人才培养目标的有利保障。