化学反应工程研究方法总结与教学应用

摘要：以提高教学质量为目的，对化学反应工程研究方法进行归纳总结，得出数学模型方法。物料、能量衡算中非线性问题的线性化处理方法、解决复杂问题时先分解后综合的方法、理论推演与实验结合的方法在化学反应工程研究中普遍应用。将这些方法重点介绍给学生，取得了良好的学习效果。

关键词：化学反应工程；研究方法；教学应用

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2012）29-0078-02

化学反应工程是化学工程与工艺专业的核心课程，以化学反应过程的共性规律、反应器的设计、放大和优化为主要研究对象，用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题，是一门实践性很强的工程学科。面向本科生的化学反应工程课程教学的目标，是使学生掌握化学反应工程基础知识，学习化学反应工程的研究方法和思路，了解化学反应工程最新进展和发展方向，提高创新思维能力。[1]笔者在长期的教学中将“方法论”作为重点，不断总结教材各章节、研究各类反应过程的共同方法，并应用于教学，对学生掌握化学反应工程的基本观点和工程方法，培养学生分析与解决工程问题的实际能力起到了很好的作用。

一、数学模型方法

工业反应器中进行的化学反应过程往往与物料的流动、混合、传质、传热、反应计量学、催化剂性能等有直接关系，浓度、温度、压力等参数影响反应结果，影响因素多，相互耦合，通常表现出很强的非线性，传统的因次分析和相似方法不能反映化学反应工程的基本规律。[2]教学中，把反应器中进行的过程分解为化学反应过程和物理传递过程，反应器中进行的过程分解为化学反应过程和物理传递过程，分别建立反应动力学模型和反应器传递模型，然后通过物料衡算和能量衡算把它们综合起来，建立反应器的数学模型，用数学模型方法来研究化学反应工程，进行反应器设计、放大与优化，比传统的经验方法能更好地反映其本质。因此，数学模型方法是化学反应工程的基本研究方法，可以通过数学模型的建立和求解去预测和模拟反应器的实际操作状况。[3]在阐明化学反应工程基本概念和原理的基础上，将各类反应器的数学模型作为讲授重点，尤其突出间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器数学模型的建立和求解方法，借此培养学生利用数学模型方法设计反应器的能力。

二、物料、能量衡算中非线性问题的线性化处理方法

反应速率一般是由反应实际进行场所的浓度和温度决定。而工业上广泛使用的气固相催化反应器、流固相非催化反应器，气液反应器中物料温度和浓度的变化呈现非线性特点。处理的共同方法为反应器设计中物料衡算、能量衡算时，衡算范围取一个微元，在微元内物料温度和浓度的变化近似按线性关系计算。在气固相催化反应工程讨论中、以单颗粒的球形催化剂为基础，在其中距中心R处取一厚度dR的微元球壳进行物料衡算、能量衡算；在气液反应工程讨论中、以双膜理论为基础，在液膜中距界面x处取一厚度dx的单位面积微元液膜进行物料衡算；在流固相非催化反应工程讨论中，以收缩未反应芯模型为基础，对单个球形固体颗粒，在其固相产物层内距中心R处取一厚度dR的微元球壳进行物料衡算；平推流反应器、非理想流动反应器轴向混合模型的计算中，在距反应器进口L处取一厚度dL的微元管段进行物料衡算、能量衡算。这些问题的研究方法有相似性，在教学中强调相互的联系，可以加深学生对内容的理解和对反应器设计中线性化处理非线性问题方法的掌握。

三、解决复杂问题时先分解后综合的方法

影响工业反应过程的因素多，关系复杂，若直接全面分析求解，往往比较困难，不容易理解。在教学中可采用先分解后综合的方法，把复杂的问题分成若干步、先研究每一步的规律，再综合得出整体的规律。气固相催化反应工程讨论中，先分外扩散、内扩散、化学反应过程分别讨论三个过程的规律和计算公式，再综合三个过程得出单个催化剂颗粒的反应规律，再进一步综合得出整个床层的反应规律；气液反应工程讨论中，先分气液两相间的传递规律、液膜中的扩散反应规律，液相主体中的扩散反应规律，再综合得出整个气液相反应规律；流固相非催化反应工程讨论中，先分流体滞流膜扩散控制、固体产物层（或惰性残留物层）内扩散控制、化学反应控制分别讨论，再综合得出总体的规律和计算公式；讨论吸附动力学方程中，先按单组分反应物的化学吸附控制、表面化学反应控制、单组分产物的脱附控制分别讨论，再综合得出总体的吸附动力学方程。这样的教学方法，往往能使复杂的问题变得简单明了，复杂的计算过程得到简化。

四、理论推演与实验结合的方法

化学反应工程自设立以来，作为一门工程学科，其复杂性往往不仅表现在过程本身，而更表现在化学反应器复杂的几何形状及千变万化的物性，[4]因此，广泛采用理论推演和实验相结合的研究方法。通过理论推演得出轴向混合模型、多级串联全混流模型等非理想流动模型，通过实验测定实际反应器停留时间分布、计算出无因次时间方差、选择合适的非理想流动模型，利用实验数据计算出模型参数，进行实际反应器的设计；气固相催化反应内扩散影响的判别中，通过理论推演得出判据式，通过实验测定判据式的值，可判断出内扩散的影响程度；流固相非催化反应中通过理论推演得出不同过程控制时的计算公式，通过温度对总体速率的影响实验，可判别过程是化学反应控制还是扩散控制，通过流速对总体速率的影响实验，可判别过程是流体滞流膜扩散控制还是固相产物层内扩散控制，然后选择相应过程控制的公式，能使计算过程大为简化。反应动力学模型的建立更需要理论推演与实验结合，虽然可以通过理论计算确定化学反应的机理和速率，但对大多数反应体系，这类理论计算所能达到的准确程度尚不能满足工业反应过程开发和反应器设计的要求，实验研究仍然是认识反应过程动力学特征的主要途径。化学反应工程在其发展过程中已形成了一整套动力学实验测定和数据处理方法。[3]教学中，应着重强调利用幂函数型模型，双曲线型模型拟合实验数据的方法，以及它们的优缺点，使学生较好地理解和掌握反应动力学模型的建立方法。

工科院校培养的工程技术人才，不仅要有丰富的理论知识，理论还应当联系实际，具有较高的独立思考能力、发现、分析和解决实际生产问题的能力，这就要求教师不仅要对学生传授知识，更重要地是教给学生求索知识的方法和应用知识的能力。[5]长期的教学中，笔者体会到数学模型方法，物料、能量衡算中非线性问题的线性化处理方法、解决复杂问题时先分解后综合的方法、理论推演与实验结合的方法，并在化学反应工程研究中普遍应用，将这些方法重点介绍给学生，使他们在学习中触类旁通，举一反三，取得了良好的学习效果。

参考文献：

[1]王垚等.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）.

[2]朱炳辰.化学反应工程（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3]朱开宏，袁渭康.化学反应工程分析[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4]张良佺.贯穿化学反应工程学的三条主线和学生计算能力的培养[J].浙江科技学院学报，2011，23（6）.

[5]许志美，张濂.倡导科学思维方法，培养工程分析能力[J].化工高等教育，2003，（1）.