張良佺，張?zhí)N賢

(1.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，杭州 310023；2.復(fù)旦大學(xué) 中國語言文學(xué)系，上海 200437)

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化學(xué)反應(yīng)工程課程的邏輯結(jié)構(gòu)及工程思維方式

張良佺1，張?zhí)N賢2

(1.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，杭州 310023；2.復(fù)旦大學(xué) 中國語言文學(xué)系，上海 200437)

為了詳細(xì)且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乇磉_(dá)化學(xué)反應(yīng)工程課程內(nèi)在的邏輯結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)用分類的方法，根據(jù)不同的劃分原則對(duì)化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行了劃分，同時(shí)針對(duì)均相反應(yīng)器，采用樹狀結(jié)構(gòu)分層次地顯示了各知識(shí)點(diǎn)及其相互關(guān)系；其次對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型建立過程，應(yīng)用框圖形式表示了各關(guān)鍵點(diǎn)之間的聯(lián)系；最后為培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟季S方式，應(yīng)用框圖形式形象地表達(dá)了不同的工程因素與化學(xué)因素對(duì)反應(yīng)結(jié)果的作用機(jī)制，從而為學(xué)生學(xué)習(xí)并牢固地掌握該課程知識(shí)體系及后續(xù)的化工過程開發(fā)創(chuàng)新提供了科學(xué)的方法。

反應(yīng)工程；化工過程創(chuàng)新；均相反應(yīng)器

化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)必修課，是主干課程之一，而且是任何一位學(xué)生成為優(yōu)秀工程師所必需具備的重要專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。它的研究對(duì)象是以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過程，簡稱“工業(yè)反應(yīng)過程”；其研究目的是實(shí)現(xiàn)工業(yè)反應(yīng)過程的優(yōu)化；它的核心內(nèi)容是“三傳一反”，“三傳”是指動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞和能量傳遞，“一反”是指反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；它的主要任務(wù)是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與開發(fā)，具體而言，即在滿足各項(xiàng)約束條件的前提下，選擇適宜的反應(yīng)器型式、結(jié)構(gòu)、操作方式，計(jì)算確定相應(yīng)的各種工藝條件、反應(yīng)器尺寸(決策變量)，以達(dá)到合理的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇率(技術(shù)目標(biāo)函數(shù))，從而使工業(yè)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)成本(經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù))達(dá)到最低值。顯然，為使設(shè)計(jì)任務(wù)得以圓滿完成，反應(yīng)工程研究者需解決的關(guān)鍵問題是提供上述3類決策變量與優(yōu)化的技術(shù)指標(biāo)之間的相互關(guān)系。

由此可知，化工過程開發(fā)涉及眾多且深入的創(chuàng)新課題，創(chuàng)新是化工技術(shù)發(fā)展的永恒動(dòng)力，是每個(gè)從事化工技術(shù)研究的人所必須面對(duì)的極具挑戰(zhàn)性的話題。因此，深入探討創(chuàng)新的特點(diǎn)、創(chuàng)新所遵循的規(guī)律及創(chuàng)新活動(dòng)所必須具備的知識(shí)儲(chǔ)備等系列問題就具有極為重要的意義。

Otto等[1]在《創(chuàng)新：進(jìn)攻者的優(yōu)勢》一書中首先提出了“S形曲線的技術(shù)進(jìn)步規(guī)律”。他總結(jié)了1930年到1980年間化學(xué)工業(yè)中的重大新技術(shù)的進(jìn)步規(guī)律，發(fā)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步一般都要經(jīng)歷一個(gè)S形曲線的發(fā)展周期，如圖1所示。

圖1 化工技術(shù)進(jìn)步的S形曲線Fig.1 S-shaped curve of chemical technology progress

由圖1可以看出，技術(shù)的進(jìn)步是建立在一定的科學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)之上的，科學(xué)知識(shí)是技術(shù)創(chuàng)新的原動(dòng)力。在化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域，正如閔恩澤[2-3]所指出的，新催化材料是創(chuàng)造發(fā)明新催化劑和新工藝的源泉；新反應(yīng)工程是開發(fā)新工藝的必由之路；新反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是發(fā)明新工藝的基礎(chǔ)；新催化材料與新反應(yīng)工程的組合往往帶來集成創(chuàng)新。因此，新催化材料、新反應(yīng)工程、新反應(yīng)應(yīng)該是研究的重點(diǎn)。

由此可見，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著基礎(chǔ)及關(guān)鍵的作用，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，牢固掌握該課程的主要知識(shí)點(diǎn)和內(nèi)在的邏輯結(jié)構(gòu)，并將其熟練地應(yīng)用到工業(yè)實(shí)際反應(yīng)器的創(chuàng)新開發(fā)過程中，就顯得十分重要了。本文將著重討論化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科基本的邏輯結(jié)構(gòu)及為每位從事過程開發(fā)的工程師提供重要的工程思維方式。

1 工業(yè)反應(yīng)器的分類

化學(xué)反應(yīng)工程主要是以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行反應(yīng)的反應(yīng)器為研究對(duì)象，揭示其特性和變化規(guī)律，為反應(yīng)器的選型、操作方式的選擇及最佳幾何尺寸設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。為牢固地掌握化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科知識(shí)體系，對(duì)其各知識(shí)點(diǎn)及相互關(guān)系的內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)了然于胸。現(xiàn)首先按照化學(xué)反應(yīng)器的特點(diǎn)采取分類的方法對(duì)其進(jìn)行分類，然后就工業(yè)規(guī)模進(jìn)行的均相反應(yīng)過程討論各知識(shí)點(diǎn)之間內(nèi)在的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系。

工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器及其行為特征是化學(xué)反應(yīng)工程所研究的對(duì)象，由于其種類多樣，因此，對(duì)其進(jìn)行合理的分類是研究的開始。

一般在第一層次上是按反應(yīng)系統(tǒng)的“相態(tài)”進(jìn)行劃分的，通常分為均相和多相反應(yīng)器兩大類。大部分的教材也是按照該特征進(jìn)行內(nèi)容編排的，如浙江大學(xué)陳甘棠[4]所編的《化學(xué)反應(yīng)工程》、北京化工大學(xué)郭鍇等[5]所編的《化學(xué)反應(yīng)工程》等，都是遵循這一模式。而多相反應(yīng)器又可分為兩相和三相反應(yīng)器，其中兩相反應(yīng)器包括氣固相和氣液相兩類，三相主要是氣液固三相反應(yīng)器。

第二層次上的劃分標(biāo)準(zhǔn)則有多種，例如可以按“固體存在狀態(tài)”對(duì)兩相反應(yīng)器進(jìn)行劃分，如對(duì)氣固兩相反應(yīng)器可分為氣固相固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器；可以按“反應(yīng)性質(zhì)的不同”分為氣固相催化反應(yīng)器和非催化反應(yīng)器；也可以按“反應(yīng)器形狀的不同”分為管式、塔式和釜式反應(yīng)器等，諸如此類，不一而定。又如對(duì)氣液固三相反應(yīng)器，可以按固體在床層中的形態(tài)分為固體固定型和固體懸浮型，前者有氣液并流向下的涓流床反應(yīng)器，液相向下的逆流涓流床反應(yīng)器和氣液并流向上的填料鼓泡塔反應(yīng)器；后者則有淤漿床反應(yīng)器和三相流化床反應(yīng)器。

通常第一級(jí)按相劃分標(biāo)準(zhǔn)在化工業(yè)界是有共識(shí)的，而次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)則諸多不一了。圖2粗略地對(duì)不同反應(yīng)器根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了劃分。

圖2 工業(yè)反應(yīng)器的分類Fig.2 Classification of industrial reactors

根據(jù)反應(yīng)器不同的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分類是化學(xué)反應(yīng)工程研究的基礎(chǔ)，十分必要。不同類型的反應(yīng)器對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響是不同的，或者說同一反應(yīng)在不同類型反應(yīng)器中其結(jié)果往往并不相同，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大的差別；同時(shí)還必須認(rèn)識(shí)到，反應(yīng)器型式對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響并不是直接的，而是通過影響傳遞過程進(jìn)而影響到反應(yīng)場所的濃度和溫度分布，再影響到反應(yīng)過程。如同一反應(yīng)過程在管式反應(yīng)器和在帶攪拌槳的釜式反應(yīng)器中，其反應(yīng)結(jié)果通常并不相同，管式反應(yīng)器中由于其高徑比較大，反應(yīng)物料在其中的流型可以用平推流擬合，而在帶攪拌槳的釜式反應(yīng)器中，其高徑比往往較小，反應(yīng)器中物料的流型往往表現(xiàn)為全混流，不同反應(yīng)器中不同的流型對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響通常是不相同的。

從學(xué)習(xí)效果而言，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行分類，不僅有利于學(xué)生盡快地牢固掌握各反應(yīng)器不同的特征，在化工過程開發(fā)時(shí)能夠易于對(duì)號(hào)入座，同時(shí)，通過對(duì)不同反應(yīng)器特點(diǎn)的對(duì)比易于發(fā)現(xiàn)它們之間的相同相異之處，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)工程作為一門課程其內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)的藝術(shù)美。

2 均相反應(yīng)器理論邏輯結(jié)構(gòu)

化學(xué)反應(yīng)器根據(jù)其反應(yīng)體系相態(tài)的不同，可以分為均相和多相兩大類[6-13]，與均相反應(yīng)過程相比，在多相反應(yīng)器中各相之間往往存在著傳遞過程，包括熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，傳遞過程的存在對(duì)多相反應(yīng)過程的結(jié)果必然產(chǎn)生與均相反應(yīng)過程不同的影響。例如在氣固相催化反應(yīng)工程中，氣固相之間存在反應(yīng)物與產(chǎn)物之間的質(zhì)量傳遞，并進(jìn)而發(fā)生熱量傳遞，當(dāng)反應(yīng)過程較快而外擴(kuò)散過程較慢時(shí)，過程表現(xiàn)為外擴(kuò)散控制，無論本征反應(yīng)速率如何，表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)總為一級(jí)，表觀活化能總為外擴(kuò)散過程活化能；又如在氣液相反應(yīng)過程中，氣相與液相之間也存在著反應(yīng)物及反應(yīng)產(chǎn)物之間的質(zhì)量傳遞，質(zhì)量傳遞過程的存在也必然影響到反應(yīng)速率，尤其是反應(yīng)速率較快時(shí)更是如此。

雖然兩類反應(yīng)器之間存在著一定的差別，但均相反應(yīng)工程無疑是多相反應(yīng)工程的基礎(chǔ)，多相反應(yīng)工程所涉及的各相中所發(fā)生的過程可認(rèn)為與均相反應(yīng)過程無異。因此，在均相反應(yīng)工程中所建立的許多重要概念、理論和方法，完全可以原封不動(dòng)地應(yīng)用到多相反應(yīng)器理論的討論中去，如在均相反應(yīng)器模擬時(shí)建立的軸向擴(kuò)散概念，在建立多相反應(yīng)器模型時(shí)便可以完整地移植過來；又如平推流和全混流概念，兩類反應(yīng)器中都有著極廣的應(yīng)用。

因此，主要針對(duì)“均相反應(yīng)器”開發(fā)過程以圖形形式顯示其內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)(圖3)，以使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程后能在頭腦中形成化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的完整印象，從而更好地將其應(yīng)用于實(shí)際反應(yīng)器的開發(fā)過程中。

圖3 均相反應(yīng)工程原理邏輯結(jié)構(gòu)Fig.3 Logical structure for homogeneous reaction engineering principle

由圖3可知，即使是均相反應(yīng)器，相互之間也存在著很大的區(qū)別，因此,第一步是必須要對(duì)它們進(jìn)行分類，可見分類的方法是本學(xué)科建立的基本方法。通過分類，人們更清楚地認(rèn)識(shí)到各反應(yīng)器之間的異同點(diǎn)，如均相反應(yīng)器按幾何形狀劃分可分為管式、塔式和釜式反應(yīng)器三類；按換熱方式可分為絕熱、等溫和變溫反應(yīng)器三類；按操作方式可分為間歇、半間歇和連續(xù)反應(yīng)器三類；而按混合方式又可分為平推流、全混流和非理想流動(dòng)反應(yīng)器三類。根據(jù)反應(yīng)器不同的特征對(duì)其進(jìn)行劃分，所產(chǎn)生的結(jié)果可能不同，但由此而獲得一個(gè)極為重要的工程概念，即反應(yīng)器型式。反應(yīng)器型式在反應(yīng)器設(shè)計(jì)優(yōu)化中屬于三大決策變量之一，十分重要，在反應(yīng)器設(shè)計(jì)中的第一步即是根據(jù)反應(yīng)過程的特點(diǎn)確定反應(yīng)器型式。

由圖3還可以看出，針對(duì)化學(xué)反應(yīng)器的開發(fā)，一般采取兩種方法，一是數(shù)學(xué)模型法，二是經(jīng)驗(yàn)放大法。在化學(xué)反應(yīng)工程課程中主要講解的是數(shù)學(xué)模型法，其基本思路是，應(yīng)用分解的方法將實(shí)際反應(yīng)器分解為兩部分，即過程和反應(yīng)設(shè)備。過程包括化學(xué)反應(yīng)過程和傳遞過程，由于反應(yīng)過程規(guī)律和傳遞過程規(guī)律相互獨(dú)立，故對(duì)其規(guī)律可分別進(jìn)行研究。而反應(yīng)設(shè)備則主要包含反應(yīng)器型式和幾何因素兩大類。

為研究化學(xué)反應(yīng)過程規(guī)律，必須要消除掉傳遞過程的影響，由于化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和設(shè)備大小無關(guān)，故化學(xué)反應(yīng)規(guī)律可在微型(或臺(tái)式)反應(yīng)器中進(jìn)行。這一點(diǎn)非常重要，如化學(xué)反應(yīng)規(guī)律在微型反應(yīng)器中進(jìn)行研究，則不僅節(jié)省了大量的資金，更重要的是在微型設(shè)備中易保持純化學(xué)因素的影響，獲得的反應(yīng)性質(zhì)、規(guī)律可以應(yīng)用到不同規(guī)模的任何反應(yīng)器中?；瘜W(xué)反應(yīng)過程的性質(zhì)一般包括化學(xué)計(jì)量性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)平衡性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

化學(xué)反應(yīng)計(jì)量性質(zhì)是反應(yīng)平衡性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)，對(duì)平衡性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的研究都是基于反應(yīng)計(jì)量性質(zhì)明確的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計(jì)量性質(zhì)主要包括反應(yīng)系統(tǒng)中各組分之間的定量關(guān)系，及系統(tǒng)中獨(dú)立的反應(yīng)數(shù)。

反應(yīng)平衡性質(zhì)主要包括反應(yīng)熱效應(yīng)和反應(yīng)極限的計(jì)算，尤其是反應(yīng)平衡常數(shù)及平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算。對(duì)可逆放熱反應(yīng)而言，平衡性質(zhì)對(duì)過程的影響較為復(fù)雜，溫度的升高對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率往往是有利的，但對(duì)平衡而言，平衡常數(shù)隨溫度的升高而降低，所以溫度對(duì)平衡性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的影響呈現(xiàn)相反的趨勢，從而引起問題的復(fù)雜化。通常對(duì)可逆放熱反應(yīng)存在著最佳溫度，且最佳溫度隨組分轉(zhuǎn)化率的不同而不同，因此，在整個(gè)反應(yīng)過程中，存在一最佳溫度曲線，反應(yīng)沿著最佳溫度曲線進(jìn)行，在轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，可以使用較少的催化劑。同時(shí)還須認(rèn)識(shí)到，在反應(yīng)后期，即較高轉(zhuǎn)化率接近化學(xué)平衡時(shí)，反應(yīng)過程往往是由平衡因素控制的。

化學(xué)反應(yīng)工程研究的主要內(nèi)容是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性是化學(xué)反應(yīng)器選型、操作方式和操作條件確定及反應(yīng)過程優(yōu)化的重要依據(jù)，因此，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測定是十分重要的工作。然而，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的精確測定是一項(xiàng)獨(dú)立于工藝試驗(yàn)之外的專門實(shí)驗(yàn)，它不但要求具備滿足實(shí)驗(yàn)精度的特定設(shè)備，而且在具體進(jìn)行時(shí)又有相當(dāng)可觀的實(shí)際工作量。因此，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測定極為重要，其基本思路如圖4所示。

圖4 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測定框圖Fig.4 Experimental determination of reaction kinetics

動(dòng)力學(xué)方程通常分為3種形式，一是純機(jī)理型方程，二是半經(jīng)驗(yàn)半理論型方程，三是純經(jīng)驗(yàn)方程?；谂鲎怖碚?、過渡態(tài)理論及分子動(dòng)態(tài)學(xué)而推導(dǎo)出來的純機(jī)理型方程，一般僅對(duì)簡單反應(yīng)體系適用，當(dāng)前反應(yīng)工程學(xué)科應(yīng)用這類動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)的并不多見。工業(yè)反應(yīng)體系往往極為復(fù)雜，但作為動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展的方向，純機(jī)理型動(dòng)力學(xué)方程應(yīng)是每個(gè)化學(xué)反應(yīng)工程研究者必須努力的目標(biāo)；純經(jīng)驗(yàn)性的動(dòng)力學(xué)方程如描述微生物生長的Monod模型在反應(yīng)器設(shè)計(jì)中亦常常使用，但反應(yīng)工程學(xué)科通常使用的是半經(jīng)驗(yàn)半理論的動(dòng)力學(xué)方程，圖4所示指的就是此類方程。

建立動(dòng)力學(xué)方程模型的基本思路一般是先設(shè)定一定的基元反應(yīng)機(jī)理，該機(jī)理通常分為兩類，一是有限基元反應(yīng)組合機(jī)理，二是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理，在此前提下，根據(jù)擬平衡態(tài)假設(shè)或擬定常態(tài)假設(shè)，可以推導(dǎo)獲得一定形式的動(dòng)力學(xué)方程。動(dòng)力學(xué)方程通常分為兩種，一是冪函數(shù)型，另一種是雙曲函數(shù)型。視方程當(dāng)中是否含有一階微分，動(dòng)力學(xué)方程又可分為積分式和微分式兩種。

在動(dòng)力學(xué)方程確定后，方程中包含兩類物理量，一是伴隨反應(yīng)過程變化而變化的因素，通常是指反應(yīng)溫度、反應(yīng)物濃度及反應(yīng)時(shí)間；另一類是在反應(yīng)過程中相對(duì)穩(wěn)定的、反映反應(yīng)過程性質(zhì)的模型參數(shù)。模型參數(shù)無法由模型本身獲得，必須通過實(shí)驗(yàn)確定，這也正是該動(dòng)力學(xué)方程被稱為半經(jīng)驗(yàn)半理論的原因所在。因?yàn)槟Ｐ蛥?shù)必須由實(shí)驗(yàn)確定，于是就必然涉及實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容通常包含兩個(gè)方面，其一是實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)器的選擇，其二是實(shí)驗(yàn)條件的確定。實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)器類型與工業(yè)反應(yīng)器類型大同小異，不同之處僅僅表現(xiàn)在規(guī)模程度上，實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器規(guī)模小，通常為1 L左右，因此，其傳遞過程影響易于消除，對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響主要是純化學(xué)因素，如此易于反映反應(yīng)過程的本質(zhì)。而實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)方法包括兩種，當(dāng)獨(dú)立的組分?jǐn)?shù)僅為1個(gè)時(shí)，實(shí)驗(yàn)可采用單因素法，當(dāng)獨(dú)立的組分因素多于2個(gè)時(shí)，則往往采取正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

通過實(shí)驗(yàn)獲得一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，接下來的問題是必須求解出動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，求解動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)的方法有積分法和微分法?；诜e分式動(dòng)力學(xué)方程的求解方法稱為積分法，基于微分式動(dòng)力學(xué)方程的求解方法則稱為微分法。在大多數(shù)實(shí)際情況下，模型參數(shù)求解方法采用的都是微分法。

當(dāng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律確定后，必須要研究在實(shí)際工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器中通常出現(xiàn)的傳遞過程規(guī)律。為研究傳遞過程規(guī)律，通常可以在沒有化學(xué)反應(yīng)的情況下進(jìn)行，這是因?yàn)閭鬟f過程是反應(yīng)器的屬性，基本上不因化學(xué)反應(yīng)的存在與否而異。對(duì)于一個(gè)特定的工業(yè)反應(yīng)過程，化學(xué)反應(yīng)規(guī)律是其個(gè)性，而反應(yīng)器中的傳遞規(guī)律則是其共性。因此，傳遞規(guī)律受設(shè)備尺寸的影響較大，必須在大型裝置中進(jìn)行。由于需要考察的只是傳遞過程，不需實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，完全可以利用惰性物料進(jìn)行試驗(yàn)，以探明傳遞過程規(guī)律。正因如此，這種試驗(yàn)通常稱為冷模試驗(yàn)。

進(jìn)行冷模試驗(yàn)研究傳遞過程規(guī)律時(shí)需要關(guān)注的一個(gè)重要問題是：所選模擬設(shè)備的大小，即傳遞過程應(yīng)在多大規(guī)模的模擬設(shè)備中進(jìn)行？為保證所獲得的傳遞參數(shù)準(zhǔn)確、有效，所遵循的原則是必須保持在模擬設(shè)備中發(fā)生的傳遞過程與實(shí)際反應(yīng)器中所發(fā)生的傳遞過程應(yīng)“相似”，即符合“相似性原理”。冷模試驗(yàn)設(shè)備的大小必須依據(jù)此原理進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。

在對(duì)反應(yīng)過程和傳遞過程進(jìn)行了充分的研究后，需要對(duì)相關(guān)成果進(jìn)行綜合處理，這一階段主要是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬并完成的，如圖5所示。

同時(shí),為驗(yàn)證模擬結(jié)果是否可靠，還必須進(jìn)行中等規(guī)模的試驗(yàn)，即中試，又名熱模試驗(yàn)。熱模試驗(yàn)存在3個(gè)問題需要解決，一是試驗(yàn)規(guī)模，二是試驗(yàn)的完整性，三是運(yùn)行周期。如果熱模試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果相符，說明模型正確，能夠反映實(shí)際規(guī)律；如果不相符，則需要修正模型，直至與熱模試驗(yàn)結(jié)果相符為止。

具備了傳遞過程規(guī)律和小試測定的反應(yīng)過程規(guī)律，并且經(jīng)過了熱模試驗(yàn)驗(yàn)證，就能直接設(shè)計(jì)工業(yè)反應(yīng)器了，這樣就不存在設(shè)備的放大問題。數(shù)學(xué)模型方法本身可以直接通過計(jì)算就能獲得大型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，說明工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)并不必然地必須經(jīng)過由小型反應(yīng)器到中間規(guī)模反應(yīng)器再到工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器的整個(gè)過程。

圖5 中試研究的邏輯結(jié)構(gòu)Fig.5 Logical structure for medium-sized experiment

最后應(yīng)當(dāng)要注意的是，數(shù)學(xué)模型法要想獲得成功，必須要具備2個(gè)基本前提：一是它要求有可靠的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程；二是還要有大型裝置中的傳遞方程，兩者缺一不可。

例如，固定床反應(yīng)器，雖然不少反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型研究較為完整，然而由于具體工業(yè)反應(yīng)器模型參數(shù)難以正確測定，尤其對(duì)復(fù)雜的工業(yè)反應(yīng)，其本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)也難以把握，因此，對(duì)固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模擬放大，迄今尚未有比較滿意的工業(yè)應(yīng)用。

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測定雖然有相當(dāng)大的工作量，但它畢竟可以在小裝置中進(jìn)行。而工業(yè)反應(yīng)器的傳遞模型卻不是小裝置所能解決的，它不但要求大型冷模試驗(yàn)和必要的熱模檢驗(yàn)，還需要工業(yè)規(guī)模的測試數(shù)據(jù)和工程研究的長期經(jīng)驗(yàn)積累。因此，當(dāng)沒有可靠的大型設(shè)備傳遞模型時(shí)，數(shù)學(xué)模擬放大只能是紙上談兵。此時(shí)，精確的動(dòng)力學(xué)測定必然是徒勞的。當(dāng)然，這并不意味著不需要有關(guān)的動(dòng)力學(xué)知識(shí)和對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征的認(rèn)識(shí)。一個(gè)開發(fā)者應(yīng)當(dāng)充分具備動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，并據(jù)此巧妙地安排工藝試驗(yàn)，以便把握反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征和有關(guān)影響因素，為工業(yè)反應(yīng)器的選型和優(yōu)化服務(wù)。

由此可見，從化學(xué)反應(yīng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)理的、定性的、半定量的動(dòng)力學(xué)特征研究應(yīng)當(dāng)是結(jié)合工藝試驗(yàn)進(jìn)行的重要任務(wù)。只有當(dāng)工業(yè)反應(yīng)器的傳遞模型足夠可靠時(shí)，精確的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)才是必要的，并可用于數(shù)學(xué)模擬放大。

3 化學(xué)反應(yīng)工程思維方式

如上所說，在剖析化學(xué)反應(yīng)工程課程各知識(shí)點(diǎn)及相互邏輯關(guān)系時(shí)，本研究采用了分類、分解和綜合的思維方式，而分類、分解其實(shí)屬于分析的方法。所以，分析、綜合是反應(yīng)過程開發(fā)中的基本方法，應(yīng)深加注意，其中尤以分析方法更是在各種科學(xué)思維方式中處于最基本的地位。

對(duì)于圖3、圖5所示的化學(xué)反應(yīng)工程邏輯結(jié)構(gòu)，當(dāng)將它們具體應(yīng)用到實(shí)際的化工過程開發(fā)中時(shí)，也可用圖6簡略地表示。圖6表示了化學(xué)反應(yīng)工程課程所提供的特有的工程思維方式。

圖6 工程思維方法Fig.6 Method of engineering thinking

4 結(jié) 語

化學(xué)反應(yīng)工程課程是一門具有嚴(yán)密的內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)的知識(shí)體系，它由一系列含義明確并能進(jìn)行定量運(yùn)算的概念及規(guī)則、規(guī)律所組成，且其模型推演結(jié)果需經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，故該學(xué)科具備完整的科學(xué)三性，即邏輯性、定量性和可驗(yàn)證性。化學(xué)反應(yīng)工程課程為化工過程開發(fā)提供了全面且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟季S方式，運(yùn)用分解的方法將復(fù)雜的工業(yè)反應(yīng)過程分解為傳遞過程和反應(yīng)過程，并利用各過程的特點(diǎn)分別在不同的設(shè)備中進(jìn)行分析測試；運(yùn)用綜合的方法將由分解所獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合在一起以模擬實(shí)際的工業(yè)反應(yīng)過程。

本文運(yùn)用樹狀結(jié)構(gòu)形象地表示了該課程的各知識(shí)點(diǎn)及邏輯結(jié)構(gòu)，易于學(xué)習(xí)和把握；同時(shí)，也利于深化理解，從而為將來的過程開發(fā)和創(chuàng)新打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] OTTO E R, FOSTER R．Innovation：The Attacker’s Advantage[M]．New York：Summit Books，l986．

[2] 閔恩澤.石油煉制催化原始創(chuàng)新之路的探尋[J].石油與天然氣化工,2011，40(1):6.

[3] 閔恩澤.石油化工:從案例探尋自主創(chuàng)新之路[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：66.

[4] 陳甘棠.化學(xué)反應(yīng)工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：5-7.

[5] 郭鍇，唐小恒，周緒美.化學(xué)反應(yīng)工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：1-3.

[6] 于遵宏.化工過程開發(fā)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2009:91-171.

[7] 張濂，許志美，袁向前.化學(xué)反應(yīng)工程原理[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2014：290.

[8] 李望，朱曉波.《化學(xué)反應(yīng)工程》課程教學(xué)方法初探[J].教育教學(xué)論壇,2015(43):157.

[9] 錢煒鑫，張銳，曹發(fā)海，等.反應(yīng)動(dòng)力學(xué)貫串的化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)思路及教學(xué)案例[J].化工高等教育，2013,57(6):39.

[10] 秦祖贈(zèng)，文衍宣.工程案例討論與分析在《化學(xué)反應(yīng)工程》教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣州化工，2013,41(16):208.

[11] 金涌，程易，顏彬航.化學(xué)反應(yīng)工程的前世、今生與未來[J].化工學(xué)報(bào)，2013,64(1):34.

[12] 李翔，王安杰，陳永英.化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)難點(diǎn)和教學(xué)方法體會(huì)[J].廣州化工，2015,43(19):207.

[13] 趙啟文，張興儒.化學(xué)反應(yīng)工程研究方法探析與教學(xué)實(shí)踐[J].化工高等教育，2013，30(2):37.

Logical structure and thinking mode of engineering in discipline of chemical reaction engineering

ZHANG Liangquan1, ZHANG Yunxian2

(1.School of Biological and Chemical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China; 2.Department of Chinese Language and Literature, Fudan University, Shanghai 200437, China)

For a detailed and rigorous expression of the inherent logical structure of chemical reaction engineering discipline, the author firstly uses classification method to divide chemical reactor depending on different principles. And for homogeneous reactor, dendritical structure is applied to hierarchically show each knowledge point and the relationship between them；and then for the establishing process of the chemical reaction kinetics model, block diagrams are applied to illustrate the contact between each key points; finally, for the training of scientific and rigorous thinking mode of engineering, block diagrams are used to visually described the effect system of different engineering factors and chemical factors on the reaction results, which provides scientific ways to learn and firmly grasp the knowledge hierarchy of this discipline and the subsequent development and innovation of chemical process.

reaction engineering; chemical process innovation; homogeneous reactor

10.3969/j.issn.1671-8798.2016.05.012

2016-02-17

浙江科技學(xué)院重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目(F464103G02)

張良佺(1965— ),男,安徽省銅陵人，教授，博士，主要從事綠色化工過程開發(fā)研究。

G642.3;TQ03

A

1671-8798(2016)05-0401-08