張 志

(北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，銀川 750021)

自19世紀末以來，各種化學(xué)動力學(xué)和動力學(xué)輸運相互作用的概念被引入物理化學(xué)和工業(yè)化學(xué)的分支中，化學(xué)反應(yīng)工程是二戰(zhàn)后興起的一門學(xué)科，從歐洲傳至全球[1]。而高等反應(yīng)工程作為工程碩士的必修課，不同于本科生的基礎(chǔ)教學(xué)，碩士階段的學(xué)習(xí)更注重于通過建模來解決實際問題，理論聯(lián)系實際，增強動手能力[2]。

1 高等反應(yīng)工程的研究內(nèi)容和目的

高等反應(yīng)工程是基于工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過程。通過化學(xué)反應(yīng)來研究反應(yīng)器中物料的流動，傳熱和傳質(zhì)的相互作用，如：整個反應(yīng)連續(xù)運行所引起的反混現(xiàn)象、多相反應(yīng)器中傳質(zhì)和溫度分布對反應(yīng)過程的影響、反應(yīng)過程中的傳質(zhì)和反應(yīng)過程的熱效應(yīng)引起的傳熱問題，優(yōu)化工業(yè)反應(yīng)過程的設(shè)計和運行[3]。

相對而言，研究的目的也比較簡明。就實際應(yīng)用而言，雖然一般工廠的反應(yīng)堆投資比例不會太大，但反應(yīng)堆的最佳設(shè)計和運行是一個不容忽視的問題[4]。同時，應(yīng)注意反應(yīng)堆的最佳設(shè)計和運行應(yīng)遵循整個工廠系統(tǒng)，反應(yīng)堆的優(yōu)化目標應(yīng)根據(jù)整個工廠系統(tǒng)確定，以便整個工廠能夠突破某些限制。

2 研究方法

對于高等反應(yīng)工程學(xué)科的研究而言，其方法不外乎三種：實驗法、解析法也即理論研究方法、理論和實驗相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型法。作為一門工程學(xué)科，高等反應(yīng)工程自設(shè)立以來所體現(xiàn)出的復(fù)雜度就不在于其本身，而在于其所涉及的反應(yīng)器的復(fù)雜外形和變化莫測的物性。例如，在填充床中，靠近壁面的顆粒比主體區(qū)域的顆粒多孔性更強，壁面附近的空隙率也相應(yīng)大于主體區(qū)域。與均勻加載的理想床相比，相同單位截面流量下實際床的阻力降較小。這種現(xiàn)象叫做壁效應(yīng)。對于壁效應(yīng)往往很難做出準確的描述，不同研究者可能會得出差別很大的結(jié)果，所以想要用解析法對高等反應(yīng)工程學(xué)科所涉及的案例進行描述很難奏效。實驗法實在實驗的基礎(chǔ)上不考慮反應(yīng)過程的機理，直接利用實驗結(jié)果建立相關(guān)方程，其所得到的屬于經(jīng)驗方程，雖在早期的的反應(yīng)工程學(xué)發(fā)展中作為一種研究的重要方法功不可沒，但其存在很大的局限性，即其適用范圍很難超出實驗范圍，不具有廣泛外推性。因此，隨著科學(xué)的進步，具有半實驗半理論的數(shù)學(xué)模型法逐漸受到廣大科學(xué)工作者們的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型法的基本思路：首先根據(jù)相關(guān)理論指導(dǎo)對所要研究的反應(yīng)進行歷程假設(shè)，然后根據(jù)假設(shè)在研究所限定的條件下進行建立相關(guān)方程，即建模，之后在進行實驗設(shè)計，得到實驗數(shù)據(jù)后通過線性和非線性回歸求得模型參數(shù)，最后進行顯著性檢驗，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)知識，例如進行F檢驗，以獲得最佳模型。合成氨的動力學(xué)研究算是該領(lǐng)域數(shù)學(xué)模型法應(yīng)用的比較成功的例子，實驗人員在一定的溫度和壓力下，用鐵作為催化劑，進行催化氫氣和氮氣的合成氨反應(yīng)。焦目金在消除內(nèi)外擴散所產(chǎn)生的影響后，提出假設(shè)：催化劑上氮的非均相吸附是反應(yīng)的控制步驟，通過合理的實驗設(shè)計和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了反應(yīng)動力學(xué)的模型，模型的數(shù)學(xué)形式是冪級數(shù)型。直到今天，這個模型還在氨中合成反應(yīng)器的設(shè)計得到了廣泛的應(yīng)用，并作為一個經(jīng)典的工程案例被寫入高校教材中。

3 課堂教學(xué)與實際結(jié)合

高等反應(yīng)工程雖然作為化工類高校的基礎(chǔ)必修課程，早在本科生階段就已經(jīng)開設(shè)過了，但研究生階段的學(xué)習(xí)畢竟不同于本科生階段，老師們也改變了教學(xué)方法。老師就首先了解了我們所有人的本科學(xué)習(xí)情況，并讓我們帶著目的去學(xué)習(xí)，去參與，

而不是像本科時一樣盲目的接受。之后的課程，為了調(diào)動大家的積極性，老師在每個專題的理論講解后都會講和這方面相關(guān)的工程案例，比如：化工企業(yè)實際生產(chǎn)中的純堿生產(chǎn)中的碳化塔反應(yīng)器、汽車尾氣凈化器、2015年天津港重大火災(zāi)爆炸事故[2]。在提出案例的同時老師會詳細和我們講解每個案例所涉及到的化工原理以及動力學(xué)和熱力學(xué)知識，然后在拋出新的案例讓我們在課堂上進行討論并運用所學(xué)的理論知識來說出自己的見解，課下也給我們布置了相關(guān)的案例讓我們查找相關(guān)資料和文獻，對案例進行深入分析。

4 結(jié)語

高等反應(yīng)工程是一門綜合性很強的學(xué)科，和微積分，化工原理，物理化學(xué)，工業(yè)催化等都有緊密的聯(lián)系。在我們學(xué)習(xí)的過程中能夠感受多學(xué)科的魅力，不在局限于本科室的課本教學(xué)，在老師案例式的教學(xué)課堂上，也收獲了如何將理論和實際相結(jié)合的方法。