论文部分内容阅读
摘要：化学反应工程是化工类专业的核心课程，它对于培养学生的化学反应工程基本理论、强化工程分析能力都具有十分重要的作用。本文针对化学反应工程课程的特点，探讨了培养学生应用理论知识，分析和解决实际工程问题的重要性及相应教学方法。强调要强化学生的工程意识、安全意识以及经济意识，使学生通过该课程的学习不仅仅熟悉化学反应工程的基本理论，更应该提高分析和解决工程实际问题的综合能力。
关键词：化学反应工程；工程意识；安全意识；经济意识
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）16-0159-02
化学反应工程课程是一门涉及物理化学、化工热力学、化工原理、优化与控制等知识领域，内容新颖而难点较多的专业基础课，是理论性、综合性和工程性都很强的课程，是化学工程与工艺专业的核心课程。该课程对于培养学生的工程能力，提高学生分析、解决实际工程问题的综合能力具有十分重要的作用。化学反应工程的研究对象是工业反应过程，其基本内容包括反应动力学和反应器设计与分析两大部分。工业反应过程中的动力学不仅包含反应的本征动力学，还涉及工业反应过程中的流动、传热及传质；反应器设计与分析，不仅要进行反应器结构设计、反应体积计算，还要根据工艺过程的特点和工程实际情况，进行最优操作条件确定、最佳工况分析控制等。此外，该课程还涉及到工艺过程的安全性和经济性。由此看来，该课程的内容涉及多门学科、交叉性强。因此，教师在课堂教学中，不仅要向学生传授化学反应工程的基础知识，还要潜移默化地强化学生的工程意识、安全意识以及经济意识，提高学生分析问题和解决问题的综合能力，使学生毕业后能够学以致用，更好地适应社会需要，成为高素质的化工技术人才。
一、工程意识的强化
作为一门工程性很强的课程，让学生建立起工程观念和掌握解决工程问题的方法显得尤为重要。作为教师，在课堂教学过程中，应结合课程的具体内容，系统地阐述、剖析和总结所涉及的工程实际问题，给学生以启迪和引导，强化学生的工程实践意识。化工过程的工程性尤其表现在实际问题上，往往涉及多种工程因素，各种因素之间存在着交互影响。在处理问题时常采取合理的近似，抓住主要矛盾，揭示过程的基本规律，以指导解决工程问题。例如，气固相催化反应过程的宏观反应速率，不仅受到反应物浓度、温度等的影响，还受到催化剂结构以及传质、传热等因素的影响。反应工程采用的处理方法是：引入内扩散有效因子来反映催化剂颗粒内传递过程对反应的影响，用曲折因子描述催化剂内复杂的孔结构，对球型或无限长圆柱或薄片催化剂建立其内擴散的一维模型，从而得到等温一级不可逆反应内扩散有效因子的解析。由此可以揭示内扩散过程的基本规律，表明宏观反应速率与本征反应以及内、外扩散之间的关系，给工业催化剂颗粒大小、形状和结构设计指明方向。工程问题的研究往往是从理想化模型入手，然后再一步步深化到复杂的实际问题。例如，对连续流动反应器的设计计算，首先从两种理想情况——全混流反应器（CSTR）和活塞流反应器（PFR）入手，建立其理想化的模型方程，对模型方程进行求解计算。但是，并不是所有的连续釜式反应器都具有CSTR的特性，也不是所有的管式反应器都符合PFR的假设。要计算非理想流动反应器的转化率及收率，应该依据反应器的停留时间分布，采用对理想流动模型进行修正，或者是将理想流动模型与滞留区、沟流、短路等作不同组合的方法，建立适宜的流动模型，然后进行求解计算。由理想流动模型到非理想流动模型设计计算的转变，学生往往不易接受和掌握，这是在授课过程中尤其要强调的。对工业反应过程进行研究，要注重将对过程中本征化学反应的研究以及对过程中诸如返混、传质、传热等物理过程的研究相结合，即将化学因素和工程因素相结合，进行综合分析，指导反应器设计及操作。例如，对于中间产物P为目的产物的连串反应：A→P→Q，要提高目的产物P的选择性，需要在较高的反应物A浓度和较低的中间产物P浓度下进行。而反应器中的返混会造成反应物浓度普遍降低、生成物浓度普遍升高，因此返混对该连串反应是不利的。采用连续操作时，应该选择接近活塞流的管式反应器，或接近全混流的多级釜式反应器串联；在加料方式上，分段或分批加料会使反应器中A浓度下降，不利于P选择性的提高。诸如此类化学因素与工程因素的结合，往往是学生的薄弱环节，应通过教学过程中多个类似事例的分析总结，逐步强化学生的工程意识，提高综合分析能力。
二、安全意识的强化
化工生产一般都具有易燃、易爆、易中毒等特点，大型化工企业生产过程多具有工艺复杂、连续性强、安全隐患多的特点，一旦发生事故则波及面广、影响范围大、后果严重。安全生产要贯穿于生产的全过程，从项目的设计、施工、安装到竣工验收、试运转、投入生产，各个环节都应以安全为前提。在课堂教学过程中，要强化安全意识，使学生懂得安全与生产技术密切相关，设备设计计算、操作条件的确立和优化必须以安全为主。在讲授到反应器的飞温及参数敏感性时，尤其要强调安全的重要性，一个设计合理的反应器必须在稳定而又不敏感的状态下操作。许多石油化工产品的生产采用催化氧化工艺，例如，乙烯在银催化剂上氧化合成环氧乙烷是强放热复合反应，主要副反应是深度氧化生成二氧化碳和水，副反应的热效应和活化能都大于主反应，一旦反应温度超过某一数值，副反应加剧，温度剧烈升高，又加剧了深度氧化副反应，造成系统温度迅速升高的飞温现象，控制不当，会引起爆炸。另外，在实际工业过程中，各种工艺参数如进料温度、进料浓度、进料流量、冷却介质温度和空速等不可避免地存在着扰动，如果在参数敏感区域操作，微小的波动就可能导致“热点”温度发生很大的变化，甚至造成飞温和事故。对于具有强放热深度氧化副反应的有机物催化氧化反应，这一点必须重视[1]。因此，在反应器设计及操作中，应首先考虑稳定性和参数敏感性条件的限制，这是关系到生产安全的大问题。在讲授反应器热稳定性内容时，涉及到着火点与熄火点，教师应引导学生分析着火与熄火现象对反应器操作控制的重要性，特别是开停工的时候尤其应该重视。例如，在熄火点附近操作时，操作条件稍有波动，则易产生降温以致温度过低，会造成反应速率降低甚至终止反应。操作温度若是在着火点附近，进料温度稍有改变，便会产生超温，可能出现烧坏催化剂或者发生爆炸事故[2]。因此，从设备设计到操作条件的确定，都应以安全作为前提。从课程学习阶段就培养学生的安全意识尤为重要。 三、经济意识的强化
一种化工产品的获得常常有多种途径，不同途径所消耗的资源是不同的。对于确定的工艺路径，如果所采用反应器的型式、操作条件、催化剂结构等不同，所消耗的人力、物力、财力等就会有相当大的差别。因此，要对化工过程进行优化，即在满足安全（如爆炸限、催化剂、设备材质的耐温极限）、环保（如有害物质的最高排放量）、产品质量等方面的前提下，寻求能达到最经济的过程结构、设备型式和设备尺寸以及操作条件。反应器的操作状况对化工生产过程的技术经济指标往往具有决定性的影响，而经济指标归根结底又是由技术指标决定的[3]。化工工艺人员进行化工设计的主要任务就是根据工艺过程的特点，确定设备型式和设备尺寸、最佳操作条件等内容。因此，对学生进行经济意识的强化是很有必要的。在工艺条件的确定方面所涉及到的基础知识，学生一般都学过，关键是不知何时用或者如何应用，不会综合分析，这就需要教师多用事例进行分析说明，使之潜移默化地逐渐掌握。例如，关于气固相催化反应最佳操作压力的确定：反应压力影响工艺过程的动力消耗以及设备投资，最佳操作压力的大小与工艺过程的特点、催化剂的活性温度等有关。①从能耗上看：压力大小将影响原料气压缩功、循环气压缩功以及产品分離的功消耗。②从催化剂活性温度来看：对于体积减小、可逆放热的气固相催化反应，压力升高，对平衡有利，温度升高对平衡不利。但若由于催化剂温度范围的限制，必须达到一定的反应温度，则只能用提高压力，以提高平衡常数来达到较高出口转化率的要求。此时，其后续分离过程、循环过程有可能简化，以降低设备费用及操作成本。因此，最佳操作压力的高低，应综合考虑多种因素，按着总体经济效果最优的原则来确定。又比如，对气固相催化反应，固体催化剂颗粒尺寸（相当直径ds）是一个重要参数，它影响到宏观反应速率和反应器压降。如ds小，则内扩散影响小，宏观反应速率高，催化剂用量减少。但ds小，床层空隙率低，对于体积流速一定的气体通过床层时的压力增大，从而增加过程的动力消耗。因此，ds的大小，要考虑到气流、床层特性以及其他具体情况，综合分析来确定。
在化学反应工程课堂教学中，教师不仅要向学生传授化学反应工程的基础知识，更应该通过对具体事例的分析，启发学生认识工程问题的特点，掌握将基础理论应用于解决实际工程问题的方法；使学生意识到工艺过程的设计计算、操作条件的确立要以安全生产为前提；要学会按着工艺过程的特点进行综合分析，以确定工艺过程的技术指标，使工艺过程更加经济可行。总之，要强化学生的工程意识、安全意识以及经济意识，培养学生分析问题、解决问题的综合能力，使学生毕业后能够学以致用，很快地满足工作需要。
参考文献：
[1]朱炳辰.化学反应工程[M].北京：化学工业出版社，2007：167.
[2]李绍芬.反应工程[M].北京：化学工业出版社，2000：90.
[3]朱开宏.工业反应过程分析导论[M].北京：中国石化出版社，2003：79.
关键词：化学反应工程；工程意识；安全意识；经济意识
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）16-0159-02
化学反应工程课程是一门涉及物理化学、化工热力学、化工原理、优化与控制等知识领域，内容新颖而难点较多的专业基础课，是理论性、综合性和工程性都很强的课程，是化学工程与工艺专业的核心课程。该课程对于培养学生的工程能力，提高学生分析、解决实际工程问题的综合能力具有十分重要的作用。化学反应工程的研究对象是工业反应过程，其基本内容包括反应动力学和反应器设计与分析两大部分。工业反应过程中的动力学不仅包含反应的本征动力学，还涉及工业反应过程中的流动、传热及传质；反应器设计与分析，不仅要进行反应器结构设计、反应体积计算，还要根据工艺过程的特点和工程实际情况，进行最优操作条件确定、最佳工况分析控制等。此外，该课程还涉及到工艺过程的安全性和经济性。由此看来，该课程的内容涉及多门学科、交叉性强。因此，教师在课堂教学中，不仅要向学生传授化学反应工程的基础知识，还要潜移默化地强化学生的工程意识、安全意识以及经济意识，提高学生分析问题和解决问题的综合能力，使学生毕业后能够学以致用，更好地适应社会需要，成为高素质的化工技术人才。
一、工程意识的强化
作为一门工程性很强的课程，让学生建立起工程观念和掌握解决工程问题的方法显得尤为重要。作为教师，在课堂教学过程中，应结合课程的具体内容，系统地阐述、剖析和总结所涉及的工程实际问题，给学生以启迪和引导，强化学生的工程实践意识。化工过程的工程性尤其表现在实际问题上，往往涉及多种工程因素，各种因素之间存在着交互影响。在处理问题时常采取合理的近似，抓住主要矛盾，揭示过程的基本规律，以指导解决工程问题。例如，气固相催化反应过程的宏观反应速率，不仅受到反应物浓度、温度等的影响，还受到催化剂结构以及传质、传热等因素的影响。反应工程采用的处理方法是：引入内扩散有效因子来反映催化剂颗粒内传递过程对反应的影响，用曲折因子描述催化剂内复杂的孔结构，对球型或无限长圆柱或薄片催化剂建立其内擴散的一维模型，从而得到等温一级不可逆反应内扩散有效因子的解析。由此可以揭示内扩散过程的基本规律，表明宏观反应速率与本征反应以及内、外扩散之间的关系，给工业催化剂颗粒大小、形状和结构设计指明方向。工程问题的研究往往是从理想化模型入手，然后再一步步深化到复杂的实际问题。例如，对连续流动反应器的设计计算，首先从两种理想情况——全混流反应器（CSTR）和活塞流反应器（PFR）入手，建立其理想化的模型方程，对模型方程进行求解计算。但是，并不是所有的连续釜式反应器都具有CSTR的特性，也不是所有的管式反应器都符合PFR的假设。要计算非理想流动反应器的转化率及收率，应该依据反应器的停留时间分布，采用对理想流动模型进行修正，或者是将理想流动模型与滞留区、沟流、短路等作不同组合的方法，建立适宜的流动模型，然后进行求解计算。由理想流动模型到非理想流动模型设计计算的转变，学生往往不易接受和掌握，这是在授课过程中尤其要强调的。对工业反应过程进行研究，要注重将对过程中本征化学反应的研究以及对过程中诸如返混、传质、传热等物理过程的研究相结合，即将化学因素和工程因素相结合，进行综合分析，指导反应器设计及操作。例如，对于中间产物P为目的产物的连串反应：A→P→Q，要提高目的产物P的选择性，需要在较高的反应物A浓度和较低的中间产物P浓度下进行。而反应器中的返混会造成反应物浓度普遍降低、生成物浓度普遍升高，因此返混对该连串反应是不利的。采用连续操作时，应该选择接近活塞流的管式反应器，或接近全混流的多级釜式反应器串联；在加料方式上，分段或分批加料会使反应器中A浓度下降，不利于P选择性的提高。诸如此类化学因素与工程因素的结合，往往是学生的薄弱环节，应通过教学过程中多个类似事例的分析总结，逐步强化学生的工程意识，提高综合分析能力。
二、安全意识的强化
化工生产一般都具有易燃、易爆、易中毒等特点，大型化工企业生产过程多具有工艺复杂、连续性强、安全隐患多的特点，一旦发生事故则波及面广、影响范围大、后果严重。安全生产要贯穿于生产的全过程，从项目的设计、施工、安装到竣工验收、试运转、投入生产，各个环节都应以安全为前提。在课堂教学过程中，要强化安全意识，使学生懂得安全与生产技术密切相关，设备设计计算、操作条件的确立和优化必须以安全为主。在讲授到反应器的飞温及参数敏感性时，尤其要强调安全的重要性，一个设计合理的反应器必须在稳定而又不敏感的状态下操作。许多石油化工产品的生产采用催化氧化工艺，例如，乙烯在银催化剂上氧化合成环氧乙烷是强放热复合反应，主要副反应是深度氧化生成二氧化碳和水，副反应的热效应和活化能都大于主反应，一旦反应温度超过某一数值，副反应加剧，温度剧烈升高，又加剧了深度氧化副反应，造成系统温度迅速升高的飞温现象，控制不当，会引起爆炸。另外，在实际工业过程中，各种工艺参数如进料温度、进料浓度、进料流量、冷却介质温度和空速等不可避免地存在着扰动，如果在参数敏感区域操作，微小的波动就可能导致“热点”温度发生很大的变化，甚至造成飞温和事故。对于具有强放热深度氧化副反应的有机物催化氧化反应，这一点必须重视[1]。因此，在反应器设计及操作中，应首先考虑稳定性和参数敏感性条件的限制，这是关系到生产安全的大问题。在讲授反应器热稳定性内容时，涉及到着火点与熄火点，教师应引导学生分析着火与熄火现象对反应器操作控制的重要性，特别是开停工的时候尤其应该重视。例如，在熄火点附近操作时，操作条件稍有波动，则易产生降温以致温度过低，会造成反应速率降低甚至终止反应。操作温度若是在着火点附近，进料温度稍有改变，便会产生超温，可能出现烧坏催化剂或者发生爆炸事故[2]。因此，从设备设计到操作条件的确定，都应以安全作为前提。从课程学习阶段就培养学生的安全意识尤为重要。 三、经济意识的强化
一种化工产品的获得常常有多种途径，不同途径所消耗的资源是不同的。对于确定的工艺路径，如果所采用反应器的型式、操作条件、催化剂结构等不同，所消耗的人力、物力、财力等就会有相当大的差别。因此，要对化工过程进行优化，即在满足安全（如爆炸限、催化剂、设备材质的耐温极限）、环保（如有害物质的最高排放量）、产品质量等方面的前提下，寻求能达到最经济的过程结构、设备型式和设备尺寸以及操作条件。反应器的操作状况对化工生产过程的技术经济指标往往具有决定性的影响，而经济指标归根结底又是由技术指标决定的[3]。化工工艺人员进行化工设计的主要任务就是根据工艺过程的特点，确定设备型式和设备尺寸、最佳操作条件等内容。因此，对学生进行经济意识的强化是很有必要的。在工艺条件的确定方面所涉及到的基础知识，学生一般都学过，关键是不知何时用或者如何应用，不会综合分析，这就需要教师多用事例进行分析说明，使之潜移默化地逐渐掌握。例如，关于气固相催化反应最佳操作压力的确定：反应压力影响工艺过程的动力消耗以及设备投资，最佳操作压力的大小与工艺过程的特点、催化剂的活性温度等有关。①从能耗上看：压力大小将影响原料气压缩功、循环气压缩功以及产品分離的功消耗。②从催化剂活性温度来看：对于体积减小、可逆放热的气固相催化反应，压力升高，对平衡有利，温度升高对平衡不利。但若由于催化剂温度范围的限制，必须达到一定的反应温度，则只能用提高压力，以提高平衡常数来达到较高出口转化率的要求。此时，其后续分离过程、循环过程有可能简化，以降低设备费用及操作成本。因此，最佳操作压力的高低，应综合考虑多种因素，按着总体经济效果最优的原则来确定。又比如，对气固相催化反应，固体催化剂颗粒尺寸（相当直径ds）是一个重要参数，它影响到宏观反应速率和反应器压降。如ds小，则内扩散影响小，宏观反应速率高，催化剂用量减少。但ds小，床层空隙率低，对于体积流速一定的气体通过床层时的压力增大，从而增加过程的动力消耗。因此，ds的大小，要考虑到气流、床层特性以及其他具体情况，综合分析来确定。
在化学反应工程课堂教学中，教师不仅要向学生传授化学反应工程的基础知识，更应该通过对具体事例的分析，启发学生认识工程问题的特点，掌握将基础理论应用于解决实际工程问题的方法；使学生意识到工艺过程的设计计算、操作条件的确立要以安全生产为前提；要学会按着工艺过程的特点进行综合分析，以确定工艺过程的技术指标，使工艺过程更加经济可行。总之，要强化学生的工程意识、安全意识以及经济意识，培养学生分析问题、解决问题的综合能力，使学生毕业后能够学以致用，很快地满足工作需要。
参考文献：
[1]朱炳辰.化学反应工程[M].北京：化学工业出版社，2007：167.
[2]李绍芬.反应工程[M].北京：化学工业出版社，2000：90.
[3]朱开宏.工业反应过程分析导论[M].北京：中国石化出版社，2003：79.