汪 斌，楊鳳麗，陳 舟，王國軍

(江蘇理工學(xué)院，江蘇 常州 213001)

化學(xué)反應(yīng)工程涉及物理化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工傳遞過程優(yōu)化與控制以及數(shù)學(xué)、物理等多領(lǐng)域的知識(shí)，是集綜合性、工程性和理論性于一體的交叉性很強(qiáng)的一門學(xué)科。在教學(xué)過程中，課程的講授內(nèi)容一直處于演進(jìn)之中。一方面不斷吸收化學(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域的新進(jìn)展、新成果，另一方面不斷融入我們對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程基本原理和這些原理如何運(yùn)用于工業(yè)反應(yīng)過程實(shí)踐的新體驗(yàn)[1]。對(duì)于教學(xué)內(nèi)容的選擇，2017年，我們提出了本科化學(xué)反應(yīng)工程“基礎(chǔ)知識(shí)有深度、工程應(yīng)用有價(jià)值”的教學(xué)目標(biāo)[2]。在教學(xué)模式中，我們從“課程教學(xué)與專業(yè)培養(yǎng)方案相結(jié)合”、“化工原理與化工工藝相結(jié)合”、“基本原理與反應(yīng)器設(shè)計(jì)相結(jié)合”、“反應(yīng)影響與傳遞影響相結(jié)合”以及“流體流動(dòng)與返混利弊相結(jié)合”等五方面就夯實(shí)學(xué)生化學(xué)反應(yīng)工程理論基礎(chǔ)進(jìn)行了實(shí)踐。隨著教學(xué)實(shí)踐的進(jìn)行，畢業(yè)學(xué)生、參加化工設(shè)計(jì)大賽以及畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生普遍反映，化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中原理教學(xué)比較多，而反應(yīng)器設(shè)計(jì)教學(xué)欠缺。隨著計(jì)算軟件等在本科階段的應(yīng)用，反應(yīng)器設(shè)計(jì)中多變量、強(qiáng)關(guān)聯(lián)等計(jì)算困難也得到了緩解。因此，加強(qiáng)本科學(xué)生反應(yīng)器設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與工作需求的無縫對(duì)接迫在眉睫。本文從四個(gè)方面就如何提升學(xué)生反應(yīng)器設(shè)計(jì)能力進(jìn)行了論述。

1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

化學(xué)反應(yīng)工程以工業(yè)反應(yīng)器中進(jìn)行的反應(yīng)過程為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型方法建立反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型，研究反應(yīng)器傳遞過程對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響以及反應(yīng)器動(dòng)態(tài)特性和反應(yīng)器參數(shù)敏感性，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)反應(yīng)器的可靠設(shè)計(jì)和操作控制。反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程包括反應(yīng)動(dòng)力學(xué)或速率方程、物料衡算式、能量衡算式和動(dòng)量衡算式。其中，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要基礎(chǔ)，國內(nèi)大部分教材都是圍繞這些內(nèi)容編寫相關(guān)內(nèi)容，江蘇理工學(xué)院采用李紹芬主編的《反應(yīng)工程》(第三版)[3]。該教材動(dòng)力學(xué)包括均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；理想反應(yīng)器包括間歇反應(yīng)器、活塞流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器；理想反應(yīng)器的流動(dòng)模型包括活塞流模型和全混流模型；非理想流動(dòng)模型包括離析流模型、多釜串聯(lián)模型和軸向擴(kuò)散模型。真實(shí)反應(yīng)器有固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、氣液相反應(yīng)器和氣液固三相反應(yīng)器等。從加強(qiáng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力以及江蘇理工學(xué)院學(xué)生就業(yè)情況對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。對(duì)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)加強(qiáng)反應(yīng)速率方程方面的教學(xué)，同時(shí)也加強(qiáng)多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)教學(xué)學(xué)時(shí)；基于理想反應(yīng)器流動(dòng)模型是非理想流動(dòng)模型基礎(chǔ)，因此加強(qiáng)理想反應(yīng)器流動(dòng)模型教學(xué)，縮減理想反應(yīng)器教學(xué)內(nèi)容；由于本?；I(yè)學(xué)生就業(yè)主要面向中小精細(xì)化工企業(yè)，因此減少面向大化工的固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器教學(xué)內(nèi)容，增加氣液相反應(yīng)器和氣液固三相反應(yīng)器教學(xué)內(nèi)容。

2 布置知識(shí)與能力的綜合性作業(yè)

作業(yè)是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主要形式，是課堂教學(xué)的繼續(xù)，是教學(xué)活動(dòng)的組成部分，其目的在于消化和鞏固課堂上學(xué)習(xí)的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)的基本能力?；瘜W(xué)反應(yīng)工程課程作業(yè)主要包括計(jì)算反應(yīng)速率和反應(yīng)器體積，學(xué)生普遍認(rèn)為這是物理化學(xué)中反應(yīng)動(dòng)力學(xué)內(nèi)容的加深版，無法與反應(yīng)器設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起，因而只是機(jī)械的進(jìn)行計(jì)算，怎么能培養(yǎng)其設(shè)計(jì)素養(yǎng)呢？這就違背了化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)目標(biāo)，失去了作業(yè)應(yīng)有的意義。因此，在布置作業(yè)時(shí)，應(yīng)擴(kuò)大參考教材范圍，精心選擇作業(yè)，不僅使學(xué)生的理論知識(shí)得到升華，而且也要鍛煉學(xué)生的計(jì)算能力、思維能力和創(chuàng)造能力，全面提高學(xué)生的設(shè)計(jì)素養(yǎng)。如H?斯科特?福格勒所著《化學(xué)反應(yīng)工程》(第三版)(李術(shù)元和朱建華譯)[4]中有這樣一個(gè)作業(yè)：洛杉磯盆地完全被山地包圍，……，將洛杉磯盆地作為一個(gè)完全混合的容器(類似于CSTR)進(jìn)行處理，在那里沒有污染物濃度的空間分布。考慮只有一氧化碳污染物并且假設(shè)CO源為汽車尾氣，……，當(dāng)季風(fēng)進(jìn)入盆地導(dǎo)致CO耗散時(shí)，將其進(jìn)行一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的摩爾衡算?！?。這個(gè)習(xí)題一共有八個(gè)小計(jì)算，計(jì)算難度層層遞進(jìn)，計(jì)算內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，不僅考驗(yàn)了學(xué)生的計(jì)算能力和思考能力，同時(shí)也初步培養(yǎng)了學(xué)生如何簡化實(shí)際問題，建立反應(yīng)器模型的意識(shí)。而且，作業(yè)內(nèi)容取自美國化學(xué)工程師資格考試內(nèi)容，有利于學(xué)生樹立專業(yè)自信。

3 工程案例與分析在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中的應(yīng)用

案例教學(xué)是在學(xué)生掌握了有關(guān)基本知識(shí)和分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，教師根據(jù)教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容的要求，運(yùn)用典型案例，讓學(xué)生對(duì)與課程相關(guān)的案例進(jìn)行分析，通過學(xué)生的獨(dú)立思考或小組討論，進(jìn)一步提高學(xué)生分析和解決某一具體問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)正確的獨(dú)立思考能力、溝通能力和協(xié)作精神的教學(xué)方式[5]。

本校在教學(xué)過程中，教師利用課堂的大部分時(shí)間講授課程的理論知識(shí)，在講授理論知識(shí)的過程中，給出相應(yīng)的工程案例-CSTR反應(yīng)器中生產(chǎn)丙二醇。給出原料流率、反應(yīng)溫度、轉(zhuǎn)化率等基本條件，要求學(xué)生在課后思考并利用所學(xué)知識(shí)列出設(shè)計(jì)方程、速率定律和化學(xué)計(jì)量關(guān)系，到下次課上課時(shí)教師再根據(jù)前一次課給出工程案例提問部分學(xué)生，并講解。講解完后，給出計(jì)算程序，使學(xué)生領(lǐng)悟計(jì)算過程，并學(xué)習(xí)編程。通過案例教學(xué)，并分層講解，學(xué)生參與等措施，使學(xué)生獨(dú)立思考能力得到鍛煉，分析問題、解決問題的能力得到培養(yǎng)；同時(shí)，利用學(xué)生課余時(shí)間思考問題，有利于學(xué)生有更充分的時(shí)間思考問題并提出解決方案。

4 基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的化學(xué)反應(yīng)工程課堂教學(xué)

化學(xué)反應(yīng)器計(jì)算是多參數(shù)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)類型計(jì)算，需要用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。但是對(duì)于大部分本科院校學(xué)生來說，并沒有學(xué)習(xí)數(shù)值計(jì)算課程，因此化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中對(duì)于數(shù)值計(jì)算都是教師講解，學(xué)生參與感不強(qiáng)，因此對(duì)于反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程印象不深，導(dǎo)致很多學(xué)生學(xué)完化學(xué)反應(yīng)工程，都不知道該課程的核心內(nèi)容是什么，更別說提升其反應(yīng)器設(shè)計(jì)能力。隨著計(jì)算機(jī)及計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展，若能利用其髙速的計(jì)算能力，結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)值計(jì)算方法程序資源，幫助學(xué)生完成動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)模型的數(shù)值計(jì)算和仿真模擬，就可以使學(xué)生擺脫復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，將精力集中在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)的模型構(gòu)建等核心內(nèi)容上[6]。例如，在列管反應(yīng)器中進(jìn)行鄰二甲苯氧化鄰苯二酸酐的教學(xué)中，教師給出物料平衡和熱量平衡的數(shù)學(xué)模型以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程；同時(shí)給出Matlab程序，向?qū)W生講解程序設(shè)計(jì)用于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本知識(shí)。利用課堂討論方式，探討程序設(shè)計(jì)的基本思路、流程、程序的調(diào)試與優(yōu)化。利用軟件圖形顯示功能，使學(xué)生能夠更加理解反應(yīng)器設(shè)計(jì)各參數(shù)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響，并對(duì)反應(yīng)器設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和優(yōu)化。通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)編程、數(shù)值計(jì)算與反應(yīng)器設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的過程，能夠應(yīng)用于反應(yīng)器設(shè)計(jì)的具體實(shí)踐中。

5 結(jié)語

完整的化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)涉及反應(yīng)器模型建立與求解、設(shè)備設(shè)計(jì)、設(shè)備控制與優(yōu)化等多學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)。在本科教學(xué)中，以反應(yīng)器模型建立與求解為主，結(jié)合其他課程，使學(xué)生初步熟悉化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的步驟和方法。本論文以培養(yǎng)學(xué)生反應(yīng)器設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)，從四個(gè)方面闡述了教學(xué)改革實(shí)踐。從優(yōu)化課程內(nèi)容出發(fā)，使學(xué)生逐步樹立工程設(shè)計(jì)觀念；以知識(shí)和能力的綜合性作業(yè)為強(qiáng)化工具，使學(xué)生逐步掌握反應(yīng)器模型建立與求解方法；以工程案例與分析為模板，使學(xué)生領(lǐng)悟設(shè)計(jì)過程；以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為輔助工具，使學(xué)生擺脫繁瑣的計(jì)算過程。通過以上教學(xué)改革，學(xué)生的反應(yīng)器設(shè)計(jì)能力得到了很好的鍛煉，受到了廣大學(xué)生的歡迎和積極參與，取得了良好的教學(xué)效果；為學(xué)生參加全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及學(xué)生走上工作崗位，快速適應(yīng)工作需求打下良好的基礎(chǔ)。