化学反应工程教学中加强反应器设计能力之实践

汪 斌，杨凤丽，陈 舟，王国军

(江苏理工学院，江苏 常州 213001)

化学反应工程涉及物理化学、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。在教学过程中，课程的讲授内容一直处于演进之中。一方面不断吸收化学反应工程领域的新进展、新成果，另一方面不断融入我们对化学反应工程基本原理和这些原理如何运用于工业反应过程实践的新体验[1]。对于教学内容的选择，2017年，我们提出了本科化学反应工程“基础知识有深度、工程应用有价值”的教学目标[2]。在教学模式中，我们从“课程教学与专业培养方案相结合”、“化工原理与化工工艺相结合”、“基本原理与反应器设计相结合”、“反应影响与传递影响相结合”以及“流体流动与返混利弊相结合”等五方面就夯实学生化学反应工程理论基础进行了实践。随着教学实践的进行，毕业学生、参加化工设计大赛以及毕业设计的学生普遍反映，化学反应工程教学中原理教学比较多，而反应器设计教学欠缺。随着计算软件等在本科阶段的应用，反应器设计中多变量、强关联等计算困难也得到了缓解。因此，加强本科学生反应器设计能力的培养，实现教学与工作需求的无缝对接迫在眉睫。本文从四个方面就如何提升学生反应器设计能力进行了论述。

1 优化教学内容

化学反应工程以工业反应器中进行的反应过程为研究对象，运用数学模型方法建立反应器数学模型，研究反应器传递过程对化学反应的影响以及反应器动态特性和反应器参数敏感性，以实现工业反应器的可靠设计和操作控制。反应器设计的基本方程包括反应动力学或速率方程、物料衡算式、能量衡算式和动量衡算式。其中，反应动力学方程是反应器设计的主要基础，国内大部分教材都是围绕这些内容编写相关内容，江苏理工学院采用李绍芬主编的《反应工程》(第三版)[3]。该教材动力学包括均相反应动力学和多相反应动力学；理想反应器包括间歇反应器、活塞流反应器和全混流反应器；理想反应器的流动模型包括活塞流模型和全混流模型；非理想流动模型包括离析流模型、多釜串联模型和轴向扩散模型。真实反应器有固定床反应器、流化床反应器、气液相反应器和气液固三相反应器等。从加强学生工程设计能力以及江苏理工学院学生就业情况对教学内容进行调整。对均相反应动力学加强反应速率方程方面的教学，同时也加强多相反应动力学教学学时；基于理想反应器流动模型是非理想流动模型基础，因此加强理想反应器流动模型教学，缩减理想反应器教学内容；由于本校化工专业学生就业主要面向中小精细化工企业，因此减少面向大化工的固定床反应器和流化床反应器教学内容，增加气液相反应器和气液固三相反应器教学内容。

2 布置知识与能力的综合性作业

作业是学生自主学习的主要形式，是课堂教学的继续，是教学活动的组成部分，其目的在于消化和巩固课堂上学习的知识，培养学生的学习的基本能力。化学反应工程课程作业主要包括计算反应速率和反应器体积，学生普遍认为这是物理化学中反应动力学内容的加深版，无法与反应器设计联系在一起，因而只是机械的进行计算，怎么能培养其设计素养呢？这就违背了化学反应工程教学目标，失去了作业应有的意义。因此，在布置作业时，应扩大参考教材范围，精心选择作业，不仅使学生的理论知识得到升华，而且也要锻炼学生的计算能力、思维能力和创造能力，全面提高学生的设计素养。如H?斯科特?福格勒所著《化学反应工程》(第三版)(李术元和朱建华译)[4]中有这样一个作业：洛杉矶盆地完全被山地包围，……，将洛杉矶盆地作为一个完全混合的容器(类似于CSTR)进行处理，在那里没有污染物浓度的空间分布。考虑只有一氧化碳污染物并且假设CO源为汽车尾气，……，当季风进入盆地导致CO耗散时，将其进行一个非稳态的摩尔衡算。……。这个习题一共有八个小计算，计算难度层层递进，计算内容环环相扣，不仅考验了学生的计算能力和思考能力，同时也初步培养了学生如何简化实际问题，建立反应器模型的意识。而且，作业内容取自美国化学工程师资格考试内容，有利于学生树立专业自信。

3 工程案例与分析在化学反应工程教学中的应用

案例教学是在学生掌握了有关基本知识和分析技术的基础上，教师根据教学目的和教学内容的要求，运用典型案例，让学生对与课程相关的案例进行分析，通过学生的独立思考或小组讨论，进一步提高学生分析和解决某一具体问题的能力，同时培养正确的独立思考能力、沟通能力和协作精神的教学方式[5]。

本校在教学过程中，教师利用课堂的大部分时间讲授课程的理论知识，在讲授理论知识的过程中，给出相应的工程案例-CSTR反应器中生产丙二醇。给出原料流率、反应温度、转化率等基本条件，要求学生在课后思考并利用所学知识列出设计方程、速率定律和化学计量关系，到下次课上课时教师再根据前一次课给出工程案例提问部分学生，并讲解。讲解完后，给出计算程序，使学生领悟计算过程，并学习编程。通过案例教学，并分层讲解，学生参与等措施，使学生独立思考能力得到锻炼，分析问题、解决问题的能力得到培养；同时，利用学生课余时间思考问题，有利于学生有更充分的时间思考问题并提出解决方案。

4 基于计算机辅助设计的化学反应工程课堂教学

化学反应器计算是多参数、强关联类型计算，需要用数值计算方法进行计算。但是对于大部分本科院校学生来说，并没有学习数值计算课程，因此化学反应工程教学中对于数值计算都是教师讲解，学生参与感不强，因此对于反应器设计过程印象不深，导致很多学生学完化学反应工程，都不知道该课程的核心内容是什么，更别说提升其反应器设计能力。随着计算机及计算科学的快速发展，若能利用其髙速的计算能力，结合现有的数值计算方法程序资源，帮助学生完成动力学、反应器设计模型的数值计算和仿真模拟，就可以使学生摆脱复杂的数值计算，将精力集中在反应动力学和反应器设计的模型构建等核心内容上[6]。例如，在列管反应器中进行邻二甲苯氧化邻苯二酸酐的教学中，教师给出物料平衡和热量平衡的数学模型以及反应动力学方程；同时给出Matlab程序，向学生讲解程序设计用于反应动力学、反应器设计的基本知识。利用课堂讨论方式，探讨程序设计的基本思路、流程、程序的调试与优化。利用软件图形显示功能，使学生能够更加理解反应器设计各参数对反应结果的影响，并对反应器设计进行分析和优化。通过计算机辅助设计教学，使学生理解计算机编程、数值计算与反应器设计有机结合的过程，能够应用于反应器设计的具体实践中。

5 结语

完整的化学反应器设计涉及反应器模型建立与求解、设备设计、设备控制与优化等多学科的综合设计。在本科教学中，以反应器模型建立与求解为主，结合其他课程，使学生初步熟悉化学反应器设计的步骤和方法。本论文以培养学生反应器设计能力为目标，从四个方面阐述了教学改革实践。从优化课程内容出发，使学生逐步树立工程设计观念；以知识和能力的综合性作业为强化工具，使学生逐步掌握反应器模型建立与求解方法；以工程案例与分析为模板，使学生领悟设计过程；以计算机辅助设计为辅助工具，使学生摆脱繁琐的计算过程。通过以上教学改革，学生的反应器设计能力得到了很好的锻炼，受到了广大学生的欢迎和积极参与，取得了良好的教学效果；为学生参加全国大学生化工设计大赛、毕业设计以及学生走上工作岗位，快速适应工作需求打下良好的基础。