劉 威
(北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)
國際反應(yīng)工程最重要的會(huì)議是ISCRE會(huì)議(化學(xué)反應(yīng)工程國際研討會(huì))。此類會(huì)議在歐洲和北美之間交替舉辦,1957年第一屆化學(xué)反應(yīng)工程國際研討會(huì)上正式確定了"化學(xué)反應(yīng)工程"的這一課程的名稱。
《化學(xué)反應(yīng)工程》是化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)必修課程或?qū)I(yè)平臺(tái)課程,同時(shí)也是化工類碩士研究生必修的課程之一。其主要研究?jī)?nèi)容是化學(xué)反應(yīng)過程中“三傳一反”的普通定律,用于指導(dǎo)反應(yīng)的設(shè)計(jì),放大和優(yōu)化[1]。學(xué)習(xí)這門課程的主要目的是使學(xué)生掌握研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的方法和基本理論,掌握理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。與此同時(shí),學(xué)生對(duì)課程基本原理和數(shù)學(xué)模型方法的理解將進(jìn)一步深化,解決設(shè)計(jì)、控制和操作中遇到的實(shí)際工程問題的能力將得到提升[2]。從實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器研究成果到建立工業(yè)化的過程是靠放大實(shí)現(xiàn)的。選擇合適的放大方法,對(duì)考察裝置的適用性,確定放大過程所需時(shí)間、經(jīng)費(fèi)投入等都是重要的。工業(yè)化反應(yīng)過程的開發(fā)設(shè)施主要有逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大法和數(shù)學(xué)模型方法兩種方法。逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大法需要從實(shí)驗(yàn)室固定床或流化床微型反應(yīng)器做起,微型反應(yīng)器設(shè)計(jì)成功后逐步放大到中試階段,最后才能用于工業(yè)化生產(chǎn),這種研究方法耗時(shí)長,且開發(fā)設(shè)計(jì)費(fèi)用昂貴,并且放大結(jié)果在放大過程中難以控制,從而限制了該方法的使用和發(fā)展。數(shù)學(xué)模型方法不需要具體的反映器,在電腦上即可完成放大過程具有開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)成本低、理論結(jié)果可以預(yù)測(cè)放大等優(yōu)點(diǎn)。如今,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,使用數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)和計(jì)算反應(yīng)過程的方法已逐漸取代逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大方法。
但是利用數(shù)學(xué)模型法也存有一定的問題:對(duì)于某些反應(yīng)的本質(zhì)未能完全掌握,這說明單純利用數(shù)學(xué)模型法對(duì)某些反應(yīng)過程的開發(fā)設(shè)計(jì)是不正確的[3]。下面對(duì)數(shù)學(xué)模型法作進(jìn)一步的介紹。
數(shù)學(xué)模型方法是反應(yīng)工程的主要研究方法,其涉及的方面有很多,若要靈活應(yīng)用此方法,在數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建,簡(jiǎn)化和解決方案等方面都需要進(jìn)行基礎(chǔ)培訓(xùn)與理論學(xué)習(xí)。數(shù)學(xué)模型通常具有多變量,強(qiáng)交聯(lián)和非線性等特征,大多數(shù)模型無法通過分析方法求解。通常,通過迭代計(jì)算獲得數(shù)值解。各種數(shù)值計(jì)算方法,如求解常微分方程初值問題的Runge-Kutta方法,求解非線性代數(shù)方程的Newton-Raphson方法,求解常微分方程和偏微分方程的邊值問題,以及求解微分方程的正交配置方法和微分方法在反應(yīng)工程研究和工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用[4]。
工科學(xué)生的計(jì)算能力、分析能力和解決實(shí)際問題的能力都能在數(shù)學(xué)模型方法的建立與使用中得到鍛煉。通過學(xué)習(xí)和使用數(shù)學(xué)模型分析方法,可以提高學(xué)生數(shù)學(xué)工程計(jì)算能力,還可以幫助學(xué)生理解和掌握反應(yīng)工程的基本理論。在數(shù)學(xué)模型模擬出結(jié)果之前,核心的計(jì)算問題是迭代算法。學(xué)生們經(jīng)常因迭代問題的復(fù)雜性而感到不解,雖然有的學(xué)生能夠很好的理解迭代算法,但真正使用時(shí)也經(jīng)常會(huì)遇到很多困難問題。然而,在多次老師的指導(dǎo)和自己的摸索后,學(xué)生不僅掌握組織迭代計(jì)算的一些基本技術(shù),同時(shí)還培養(yǎng)了很好的理論計(jì)算能力。
數(shù)學(xué)語言是精確的,它有助于假設(shè)的形成和對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的現(xiàn)象和概念進(jìn)行基本假設(shè)的確定。數(shù)學(xué)語言簡(jiǎn)潔精確,有嚴(yán)格的操作規(guī)定,這有助于構(gòu)建的模型保持正確和精準(zhǔn)。建模呈現(xiàn)了人類思維的基本過程之一,表達(dá)了我們思考和想象的能力,使用符號(hào)和語言進(jìn)行交流,在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行概括,以應(yīng)對(duì)未知意外的發(fā)生。它使我們能夠以簡(jiǎn)化的方式面對(duì)現(xiàn)實(shí)世界,避免其復(fù)雜性和不可逆性,模擬出在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可能產(chǎn)生的所有危險(xiǎn)。在模型化方法中,通過建立氣體-固相催化反應(yīng)系統(tǒng),預(yù)測(cè)和分析在給定物料組成條件下反應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)生通常被教師作為教學(xué)的重點(diǎn)。運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法設(shè)
計(jì)工業(yè)反應(yīng)器,可以讓學(xué)生在教學(xué)中學(xué)習(xí)的更廣泛,認(rèn)識(shí)的更深刻,更好地掌握分析和解決工程的問題,使教學(xué)過程成為思維方法的培養(yǎng)和訓(xùn)練過程,讓學(xué)生學(xué)到的理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐模擬相結(jié)合。
與本科階段的化學(xué)反應(yīng)工程來比較,研究生階段更加的注重在素質(zhì)和能力方面上的培養(yǎng)。在化工類專業(yè)研究生上的培養(yǎng)中,更加強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力、在實(shí)踐中的理論運(yùn)用和用知識(shí)來解決實(shí)際問題的能力、互相合作能力和個(gè)人總結(jié)表達(dá)能力等。
對(duì)于那些已具備反應(yīng)工程基本知識(shí)的工程碩士,學(xué)習(xí)高等反應(yīng)工程這門課程的主要目的是,在本科學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓寬、熟悉并加深反應(yīng)工程各個(gè)方面知識(shí)的理解,進(jìn)一步掌握反應(yīng)工程中基本原理和數(shù)學(xué)模型方法的使用。通過對(duì)課程內(nèi)容的深入思考,將所學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)過程相聯(lián)系,用所學(xué)反應(yīng)工程內(nèi)容分析具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在已學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上,結(jié)合前沿知識(shí),不斷探索優(yōu)化模擬技術(shù)并不斷提高分析解決實(shí)際問題的能力。
在工業(yè)生產(chǎn)中,生產(chǎn)的步驟通常是:小試→中試→工業(yè)化。而在工業(yè)化生產(chǎn)中,通常要根據(jù)小試和中試的結(jié)果來模擬計(jì)算工業(yè)化生產(chǎn)所需要的反應(yīng)釜的大小、種類與數(shù)量等特點(diǎn)。在小試的放大上,數(shù)學(xué)模擬方法是必不可少的,只有通過進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬才能進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)備選型以及設(shè)計(jì)。因此,數(shù)學(xué)模型方法對(duì)工業(yè)生產(chǎn)放大,從小試到中試的轉(zhuǎn)化都會(huì)起到重要的作用。通過對(duì)高等反應(yīng)工程的學(xué)習(xí)使我們對(duì)數(shù)學(xué)模型方法的認(rèn)識(shí)更加深刻,對(duì)數(shù)學(xué)模型方法的使用過程更加熟悉,對(duì)工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、選型、改造等方面也有了更好的認(rèn)識(shí)。