化学反应工程教学的一点思考
雷泽+张香兰
[摘 要]化学反应工程是化工专业的核心课程，学生普遍感觉难学，教师也感觉难教。对化学反应工程常规的教学方法改进外，尚需要从课程本身的特点出发，从第一堂课开始即要构建一个清晰、明确的课程知识体系，避免过多的纠结于复杂的数学计算过程。在教和学的过程中巧妙的利用一些处理方法解决知识难点，起到融会贯通的作用。教学院系在化工专业培养体系和课程设置上要适当注意专业知识内容的衔接和运用，力争做到学以致用，学以会用。
[关键词]化学反应；工程教学；知识框架；方法衔接
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）08-0121-03
化学反应工程是化学工程的一个重要分支和组成部分，以化学反应过程和反应器为研究对象，旨在进行化工反应技术的开发、反应过程的优化和反应器的设计与优化，属于化学工程与工艺专业的核心课程。[1]本课程涉及物理化学、化工热力学、化工传递过程、优化与控制以及数学、物理等多领域的知识，是集综合性、工程性和理论性于一体的交叉性很强的一门学科。学生在学习本课程时，普遍感到理论抽象、数学推导繁琐、工程问题多，不少学生认为化学反应工程是大学中最难学习的课程之一。[2]甚至，很多学生在学完本课程之后，其思维仍停留在繁琐的计算公式中，不甚清楚所学知识的内在联系和具体应用。尽管已有很多关于化学反应工程的教学、教改论文，在教学内容、教学方法以及考核方法等方面提出很多有益的建议和措施，但是仍有必要进一步的对化学反应工程的内容进行一个系统的梳理，构建一个明确、系统的知识体系框架，对一些容易混淆的概念、知识点予以廓清，并针对部分知识难点的教学提出一些建设性处理方法。鉴于上述原因，笔者经过多年的教学实践，结合学生的反馈，获得一些体会，希望能与同仁们进行交流，提升本门课程的教学效果。
一、构建课程知识体系框架
由于化学反应工程具有内容多、公式多、计算繁琐的特点，很多大学生在学完本门课程后，留下的印象大多是大量、复杂的公式推导和计算，他们仍十分迷惑从这门课程中究竟学到了什么知识，所学知识有什么用？因此，在课堂教学时要力求避免纯粹的繁琐数学描述，着重进行基本概念、基本理论和工程观点的阐述。这就有必要构建一个清晰、明确的化学反应工程的知识体系，让学生清楚课程的核心目标以及不同章节知识点间的内在联系，并不过多的纠结于复杂的数学计算，方能化繁为简，更好的掌握本课程的知识。
图1画出了化学反应工程课程的知识体系框图，涵盖了课程的核心目标、研究对象及其间相互关系和主要章节内容。学习本课程的核心目标是能对化学反应过程进行正确分析，设计和优化反应器。基于此，还可开发新技术和设备，指导和解决反应过程开发中的放大问题，发展和完善反应工程学的理论和方法。工业化学反应总是在一定的反应器中进行，化学反应的特性（化学过程）和反应器的传递特性（物理过程）共同作用，影响到最终的反应结果。为了便于学习和研究，将反应特性和反应器传递特性分开来进行研究和阐述，在分别研究清楚之后，再进行综合。这就需要研究清楚两方面的内容：（1）化学反应特性，主要研究不考虑传递过程的本征动力学，属于每一个化学反应的个性，是影响反应结果的内因，不同的化学反应体系具有不同的动力学表达式。按照参加反应的物相划分，化学反应可分为均相反应和非均相反应。其中，均相反应的反应速率主要受催化剂、温度、浓度（压力）和溶剂特性的影响，在反应体系确定的情况下，其反应速率则可表示为温度（T）和浓度（C）的函数关系，即：-ri=f（T，C）。而非均相反应总是发生在相界面上，其本征化学反应过程涉及多个界面过程（如：气-固相催化反应包含表面吸附、表面反应和表面脱附三个串联过程），其反应速率除受上述因素影响外，还受到反应界面大小的影响，在催化剂确定的情况下，仍可表示为-ri=f（T，C）。本部分内容主要涉及均相反应动力学基础和非均相反应（多相催化催化）动力学基础两个章节。（2）反应器传递特性，主要是指反应器的热量、质量传递（在压力变化不大的情况下，一般不考虑动量传递）和返混特性，属于反应器的共性问题，是影响反应结果的工程因素——通过影响反应器内温度与浓度分布而改变反应结果。反应器按操作方式可以分为间歇式操作、连续操作和半连续操作。其中间隙式操作的所有流体质点具有同样的停留时间，而不存在返混问题；而连续操作的反应器根据返混的大小程度则可以分为完全不返混的平推流反应器（PFR）、完全返混的全混流反应器（CSTR）以及介于二者之间的实际反应器。PFR和CSTR中的流体流动状态是两种理想的极端情况，称为理想流动；而偏离上述两种理想情况的流体流动（不管是否由返混造成）则为非理想流动，对于非理想流动通常通过停留时间分布函数和停留时间分布密度函数，并借助于一定的流动模型来描述其流动特征。本部分内容主要分为理想流动（部分书也称之为均相反应过程）和非理想流动两个章节。
反应器的传递特性与其中发生何种反应无关，故可以通过冷模实验来研究大型反应器中的传递特征；而化学反应的本征反应动力学特性与反应器的尺寸、形式无关，则可以构建小型热态实验研究反应特性。这样就可以比较容易的分别研究清楚反应器的传递特性和化学反应特性。鉴于反应器的传递特性会改变反应器的温度场、浓度场，从而影响反应器内各质点的反应速率，进而又改变反应器内的温度、浓度分布，二者相互作用、相互影响，影响最终的反应结果。因此，需要综合考虑化学反应特性和反应器传递特性，通过数学模型法，联立物料衡算式、热量衡算式、动力学方程、动量衡算式和参数计算式，进行反应过程的分析（包括反应器的热稳定性），从而设计新的反应器或对现有反应器进行优化。本部分内容主要涉及均相反应器（含反应器热稳定性分析）和非均相反应器（主要包括固定床反应器、流化床反应器及多相流反应器）各章节。考虑到我校的化学反应工程教学课时为48学时，关于多流体相反应过程、聚合反应过程以及生化反应过程等章节的内容则不做课堂教学要求，感兴趣的同学可以自学。
二、注重方法
关于教学方法在很多教学论文[3] [4] [5]中已有较好的阐述，在这里主要针对本门课程一些难点抛砖引玉的介绍几个处理方法，希望有助于大学生学习和掌握相关内容，学会将所学知识进行移植、融会贯通。
（三）在化学反应工程中常常会涉及很多优化问题的求解问题
化学反应工程常常涉及串联反应中间产物为目标产物时的优化操作时间，循环反应器的最优循环比，CSTR串联反应器的优化组合，以及CSTR反应器的热稳定性等问题。优化问题求解实际上就是求解极值，惯用的手段就是推导出关键函数与关联操作变量的函数关系式，通过求导并令导数等于零即可求出最优操作条件。这是纯粹的数学问题，学生往往觉得抽象、难以理解，并容易因抽象的数学公式而产生厌学情绪。这时，将关键函数与关联操作变量在图上示意出其变化趋势，再结合关键函数的数学求导进行讲解就很容易被学生理解、接受了。
三、知识的衔接与应用
化学反应工程是一门集理论知识和工程应用于一身的课程，贯穿化学工程专业的大学三年级及其以后的整个大学生涯。在化工专业的课程设置和能力培养上必须注重知识的衔接和应用。我校的化学反应工程课程安排在大学第六学期，同步开设了化工专业实验，其中与本课程紧密相关的实验主要涉及反应器停留时间分布的测定（包括管式反应器流动特性测定、多釜串联返混性能测定）、多孔物质（催化剂）孔径分布及比表面积的测定、甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及其聚合反应速度的测定、活性炭吸附法脱除气体中的有机溶剂蒸汽、煤炭反应性的测定、固体流态化实验（含流化床干燥实验）、超细粉体（碳酸钙）的制备等（上述部分实验属于设计性的选做实验）。通过实验强化学生对非理想流动特征、反应器停留时间分布特征及其测定方法、反应速率测定方法、多孔介质上气体吸附特征及其应用、实际反应器等的认识和理解，并能初步创造性的运用所学理论知识进行反应器的操控和数据的处理。第六学期期末即进行为期3周的化工生产实习，其中2周主要在燕山石化的炼油厂和化工厂进行，现场重温各类实际化工反应器及其操控；1周在校内进行，可在新建的化工仿真实验室进行石油常减压蒸馏和催化裂化工段的仿真实习，熟悉各装置的操控、调节和事故分析、处理，增强工程分析和解决工程问题的能力。每年举办的全国大学生化工设计竞赛（自2007年开始举办，时间为每年的5月-8月）为化工类大学生提供了一个很好的培养和锻炼创新思维、工程设计与实践等多方面技能的实战平台。近五年来，我校化工专业学生均组队参赛，参赛人数比例逐年递增，今年的参赛人数达整个化工专业学生总人数（指化工专业三年级大学生，个别二年级优秀学生参与体验但不组队参赛）的65%。从2014开始，我校开始尝试将本年度的化工设计竞赛题目作为化工专业的专业综合设计题目，一改使用多年设计题目的陈旧感，紧追化工领域的当前热点，师生普遍反映效果良好。在化工设计竞赛中的一大核心即是反应器的设计和模拟，有助于夯实化学反应工程学科相关知识，并学以致用。课堂教学——专业实验——设计竞赛——专业综合设计这一系列教学实践活动保证了化学反应工程知识的强化、吸收和从学到用的衔接。
四、结束语
综上所述，对化学反应工程的教学除了常规的教学方法的改进外，尚需要从课程本身的特点出发，从第一堂课开始即要构建一个清晰、明确的课程知识体系，避免过多的纠结于复杂的数学计算过程。并且，在教和学的过程中巧妙的利用一些处理方法解决知识难点，起到融会贯通的作用。此外，教学院系在化工专业培养体系和课程设置上要适当注意专业知识内容的衔接和运用，力争做到学以致用，学以会用。
[ 注 释 ]
[1] 李宝霞.《化学反应工程》教学改革模式探讨[J].高教研究与实践，2012（4）：33-35.
[2] 苟建霞，解胜利，贾冬梅.化学反应工程教学与改革[J].广西大学学报（自然科学版），2008（S1）：264-266.
[3] 尹先清，李赓.化学反应工程教学方法探讨[J].长江大学学报（社会科学版），2010（5）：32-33.
[4] 丁一刚，吴元欣，程健，等.化学反应工程课程体系与实践教学模式的探讨[J].化工高等教育，2008（5）：49-52，79.
[5] 王垚，金涌，程易，等.化学反应工程教学新理念和实践探索[J].化工高等教育，2009（2）：1-4.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]化学反应工程是化工专业的核心课程，学生普遍感觉难学，教师也感觉难教。对化学反应工程常规的教学方法改进外，尚需要从课程本身的特点出发，从第一堂课开始即要构建一个清晰、明确的课程知识体系，避免过多的纠结于复杂的数学计算过程。在教和学的过程中巧妙的利用一些处理方法解决知识难点，起到融会贯通的作用。教学院系在化工专业培养体系和课程设置上要适当注意专业知识内容的衔接和运用，力争做到学以致用，学以会用。
[关键词]化学反应；工程教学；知识框架；方法衔接
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）08-0121-03
化学反应工程是化学工程的一个重要分支和组成部分，以化学反应过程和反应器为研究对象，旨在进行化工反应技术的开发、反应过程的优化和反应器的设计与优化，属于化学工程与工艺专业的核心课程。[1]本课程涉及物理化学、化工热力学、化工传递过程、优化与控制以及数学、物理等多领域的知识，是集综合性、工程性和理论性于一体的交叉性很强的一门学科。学生在学习本课程时，普遍感到理论抽象、数学推导繁琐、工程问题多，不少学生认为化学反应工程是大学中最难学习的课程之一。[2]甚至，很多学生在学完本课程之后，其思维仍停留在繁琐的计算公式中，不甚清楚所学知识的内在联系和具体应用。尽管已有很多关于化学反应工程的教学、教改论文，在教学内容、教学方法以及考核方法等方面提出很多有益的建议和措施，但是仍有必要进一步的对化学反应工程的内容进行一个系统的梳理，构建一个明确、系统的知识体系框架，对一些容易混淆的概念、知识点予以廓清，并针对部分知识难点的教学提出一些建设性处理方法。鉴于上述原因，笔者经过多年的教学实践，结合学生的反馈，获得一些体会，希望能与同仁们进行交流，提升本门课程的教学效果。
一、构建课程知识体系框架
由于化学反应工程具有内容多、公式多、计算繁琐的特点，很多大学生在学完本门课程后，留下的印象大多是大量、复杂的公式推导和计算，他们仍十分迷惑从这门课程中究竟学到了什么知识，所学知识有什么用？因此，在课堂教学时要力求避免纯粹的繁琐数学描述，着重进行基本概念、基本理论和工程观点的阐述。这就有必要构建一个清晰、明确的化学反应工程的知识体系，让学生清楚课程的核心目标以及不同章节知识点间的内在联系，并不过多的纠结于复杂的数学计算，方能化繁为简，更好的掌握本课程的知识。
图1画出了化学反应工程课程的知识体系框图，涵盖了课程的核心目标、研究对象及其间相互关系和主要章节内容。学习本课程的核心目标是能对化学反应过程进行正确分析，设计和优化反应器。基于此，还可开发新技术和设备，指导和解决反应过程开发中的放大问题，发展和完善反应工程学的理论和方法。工业化学反应总是在一定的反应器中进行，化学反应的特性（化学过程）和反应器的传递特性（物理过程）共同作用，影响到最终的反应结果。为了便于学习和研究，将反应特性和反应器传递特性分开来进行研究和阐述，在分别研究清楚之后，再进行综合。这就需要研究清楚两方面的内容：（1）化学反应特性，主要研究不考虑传递过程的本征动力学，属于每一个化学反应的个性，是影响反应结果的内因，不同的化学反应体系具有不同的动力学表达式。按照参加反应的物相划分，化学反应可分为均相反应和非均相反应。其中，均相反应的反应速率主要受催化剂、温度、浓度（压力）和溶剂特性的影响，在反应体系确定的情况下，其反应速率则可表示为温度（T）和浓度（C）的函数关系，即：-ri=f（T，C）。而非均相反应总是发生在相界面上，其本征化学反应过程涉及多个界面过程（如：气-固相催化反应包含表面吸附、表面反应和表面脱附三个串联过程），其反应速率除受上述因素影响外，还受到反应界面大小的影响，在催化剂确定的情况下，仍可表示为-ri=f（T，C）。本部分内容主要涉及均相反应动力学基础和非均相反应（多相催化催化）动力学基础两个章节。（2）反应器传递特性，主要是指反应器的热量、质量传递（在压力变化不大的情况下，一般不考虑动量传递）和返混特性，属于反应器的共性问题，是影响反应结果的工程因素——通过影响反应器内温度与浓度分布而改变反应结果。反应器按操作方式可以分为间歇式操作、连续操作和半连续操作。其中间隙式操作的所有流体质点具有同样的停留时间，而不存在返混问题；而连续操作的反应器根据返混的大小程度则可以分为完全不返混的平推流反应器（PFR）、完全返混的全混流反应器（CSTR）以及介于二者之间的实际反应器。PFR和CSTR中的流体流动状态是两种理想的极端情况，称为理想流动；而偏离上述两种理想情况的流体流动（不管是否由返混造成）则为非理想流动，对于非理想流动通常通过停留时间分布函数和停留时间分布密度函数，并借助于一定的流动模型来描述其流动特征。本部分内容主要分为理想流动（部分书也称之为均相反应过程）和非理想流动两个章节。
反应器的传递特性与其中发生何种反应无关，故可以通过冷模实验来研究大型反应器中的传递特征；而化学反应的本征反应动力学特性与反应器的尺寸、形式无关，则可以构建小型热态实验研究反应特性。这样就可以比较容易的分别研究清楚反应器的传递特性和化学反应特性。鉴于反应器的传递特性会改变反应器的温度场、浓度场，从而影响反应器内各质点的反应速率，进而又改变反应器内的温度、浓度分布，二者相互作用、相互影响，影响最终的反应结果。因此，需要综合考虑化学反应特性和反应器传递特性，通过数学模型法，联立物料衡算式、热量衡算式、动力学方程、动量衡算式和参数计算式，进行反应过程的分析（包括反应器的热稳定性），从而设计新的反应器或对现有反应器进行优化。本部分内容主要涉及均相反应器（含反应器热稳定性分析）和非均相反应器（主要包括固定床反应器、流化床反应器及多相流反应器）各章节。考虑到我校的化学反应工程教学课时为48学时，关于多流体相反应过程、聚合反应过程以及生化反应过程等章节的内容则不做课堂教学要求，感兴趣的同学可以自学。
二、注重方法
关于教学方法在很多教学论文[3] [4] [5]中已有较好的阐述，在这里主要针对本门课程一些难点抛砖引玉的介绍几个处理方法，希望有助于大学生学习和掌握相关内容，学会将所学知识进行移植、融会贯通。
（三）在化学反应工程中常常会涉及很多优化问题的求解问题
化学反应工程常常涉及串联反应中间产物为目标产物时的优化操作时间，循环反应器的最优循环比，CSTR串联反应器的优化组合，以及CSTR反应器的热稳定性等问题。优化问题求解实际上就是求解极值，惯用的手段就是推导出关键函数与关联操作变量的函数关系式，通过求导并令导数等于零即可求出最优操作条件。这是纯粹的数学问题，学生往往觉得抽象、难以理解，并容易因抽象的数学公式而产生厌学情绪。这时，将关键函数与关联操作变量在图上示意出其变化趋势，再结合关键函数的数学求导进行讲解就很容易被学生理解、接受了。
三、知识的衔接与应用
化学反应工程是一门集理论知识和工程应用于一身的课程，贯穿化学工程专业的大学三年级及其以后的整个大学生涯。在化工专业的课程设置和能力培养上必须注重知识的衔接和应用。我校的化学反应工程课程安排在大学第六学期，同步开设了化工专业实验，其中与本课程紧密相关的实验主要涉及反应器停留时间分布的测定（包括管式反应器流动特性测定、多釜串联返混性能测定）、多孔物质（催化剂）孔径分布及比表面积的测定、甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及其聚合反应速度的测定、活性炭吸附法脱除气体中的有机溶剂蒸汽、煤炭反应性的测定、固体流态化实验（含流化床干燥实验）、超细粉体（碳酸钙）的制备等（上述部分实验属于设计性的选做实验）。通过实验强化学生对非理想流动特征、反应器停留时间分布特征及其测定方法、反应速率测定方法、多孔介质上气体吸附特征及其应用、实际反应器等的认识和理解，并能初步创造性的运用所学理论知识进行反应器的操控和数据的处理。第六学期期末即进行为期3周的化工生产实习，其中2周主要在燕山石化的炼油厂和化工厂进行，现场重温各类实际化工反应器及其操控；1周在校内进行，可在新建的化工仿真实验室进行石油常减压蒸馏和催化裂化工段的仿真实习，熟悉各装置的操控、调节和事故分析、处理，增强工程分析和解决工程问题的能力。每年举办的全国大学生化工设计竞赛（自2007年开始举办，时间为每年的5月-8月）为化工类大学生提供了一个很好的培养和锻炼创新思维、工程设计与实践等多方面技能的实战平台。近五年来，我校化工专业学生均组队参赛，参赛人数比例逐年递增，今年的参赛人数达整个化工专业学生总人数（指化工专业三年级大学生，个别二年级优秀学生参与体验但不组队参赛）的65%。从2014开始，我校开始尝试将本年度的化工设计竞赛题目作为化工专业的专业综合设计题目，一改使用多年设计题目的陈旧感，紧追化工领域的当前热点，师生普遍反映效果良好。在化工设计竞赛中的一大核心即是反应器的设计和模拟，有助于夯实化学反应工程学科相关知识，并学以致用。课堂教学——专业实验——设计竞赛——专业综合设计这一系列教学实践活动保证了化学反应工程知识的强化、吸收和从学到用的衔接。
四、结束语
综上所述，对化学反应工程的教学除了常规的教学方法的改进外，尚需要从课程本身的特点出发，从第一堂课开始即要构建一个清晰、明确的课程知识体系，避免过多的纠结于复杂的数学计算过程。并且，在教和学的过程中巧妙的利用一些处理方法解决知识难点，起到融会贯通的作用。此外，教学院系在化工专业培养体系和课程设置上要适当注意专业知识内容的衔接和运用，力争做到学以致用，学以会用。
[ 注 释 ]
[1] 李宝霞.《化学反应工程》教学改革模式探讨[J].高教研究与实践，2012（4）：33-35.
[2] 苟建霞，解胜利，贾冬梅.化学反应工程教学与改革[J].广西大学学报（自然科学版），2008（S1）：264-266.
[3] 尹先清，李赓.化学反应工程教学方法探讨[J].长江大学学报（社会科学版），2010（5）：32-33.
[4] 丁一刚，吴元欣，程健，等.化学反应工程课程体系与实践教学模式的探讨[J].化工高等教育，2008（5）：49-52，79.
[5] 王垚，金涌，程易，等.化学反应工程教学新理念和实践探索[J].化工高等教育，2009（2）：1-4.
[责任编辑：钟 岚]
