倡导理论结合实践，培养学生工程分析能力——“研究生高等反应工程”研究与思考

张 志

(北方民族大学 化学与化学工程学院，银川 750021)

自19世纪末以来，各种化学动力学和动力学输运相互作用的概念被引入物理化学和工业化学的分支中，化学反应工程是二战后兴起的一门学科，从欧洲传至全球[1]。而高等反应工程作为工程硕士的必修课，不同于本科生的基础教学，硕士阶段的学习更注重于通过建模来解决实际问题，理论联系实际，增强动手能力[2]。

1 高等反应工程的研究内容和目的

高等反应工程是基于工业规模的化学反应过程。通过化学反应来研究反应器中物料的流动，传热和传质的相互作用，如：整个反应连续运行所引起的反混现象、多相反应器中传质和温度分布对反应过程的影响、反应过程中的传质和反应过程的热效应引起的传热问题，优化工业反应过程的设计和运行[3]。

相对而言，研究的目的也比较简明。就实际应用而言，虽然一般工厂的反应堆投资比例不会太大，但反应堆的最佳设计和运行是一个不容忽视的问题[4]。同时，应注意反应堆的最佳设计和运行应遵循整个工厂系统，反应堆的优化目标应根据整个工厂系统确定，以便整个工厂能够突破某些限制。

2 研究方法

对于高等反应工程学科的研究而言，其方法不外乎三种：实验法、解析法也即理论研究方法、理论和实验相结合的数学模型法。作为一门工程学科，高等反应工程自设立以来所体现出的复杂度就不在于其本身，而在于其所涉及的反应器的复杂外形和变化莫测的物性。例如，在填充床中，靠近壁面的颗粒比主体区域的颗粒多孔性更强，壁面附近的空隙率也相应大于主体区域。与均匀加载的理想床相比，相同单位截面流量下实际床的阻力降较小。这种现象叫做壁效应。对于壁效应往往很难做出准确的描述，不同研究者可能会得出差别很大的结果，所以想要用解析法对高等反应工程学科所涉及的案例进行描述很难奏效。实验法实在实验的基础上不考虑反应过程的机理，直接利用实验结果建立相关方程，其所得到的属于经验方程，虽在早期的的反应工程学发展中作为一种研究的重要方法功不可没，但其存在很大的局限性，即其适用范围很难超出实验范围，不具有广泛外推性。因此，随着科学的进步，具有半实验半理论的数学模型法逐渐受到广大科学工作者们的学习与应用。应用数学模型法的基本思路：首先根据相关理论指导对所要研究的反应进行历程假设，然后根据假设在研究所限定的条件下进行建立相关方程，即建模，之后在进行实验设计，得到实验数据后通过线性和非线性回归求得模型参数，最后进行显著性检验，应用统计学知识，例如进行F检验，以获得最佳模型。合成氨的动力学研究算是该领域数学模型法应用的比较成功的例子，实验人员在一定的温度和压力下，用铁作为催化剂，进行催化氢气和氮气的合成氨反应。焦目金在消除内外扩散所产生的影响后，提出假设：催化剂上氮的非均相吸附是反应的控制步骤，通过合理的实验设计和数学推导，得到了反应动力学的模型，模型的数学形式是幂级数型。直到今天，这个模型还在氨中合成反应器的设计得到了广泛的应用，并作为一个经典的工程案例被写入高校教材中。

3 课堂教学与实际结合

高等反应工程虽然作为化工类高校的基础必修课程，早在本科生阶段就已经开设过了，但研究生阶段的学习毕竟不同于本科生阶段，老师们也改变了教学方法。老师就首先了解了我们所有人的本科学习情况，并让我们带着目的去学习，去参与，

而不是像本科时一样盲目的接受。之后的课程，为了调动大家的积极性，老师在每个专题的理论讲解后都会讲和这方面相关的工程案例，比如：化工企业实际生产中的纯碱生产中的碳化塔反应器、汽车尾气净化器、2015年天津港重大火灾爆炸事故[2]。在提出案例的同时老师会详细和我们讲解每个案例所涉及到的化工原理以及动力学和热力学知识，然后在抛出新的案例让我们在课堂上进行讨论并运用所学的理论知识来说出自己的见解，课下也给我们布置了相关的案例让我们查找相关资料和文献，对案例进行深入分析。

4 结语

高等反应工程是一门综合性很强的学科，和微积分，化工原理，物理化学，工业催化等都有紧密的联系。在我们学习的过程中能够感受多学科的魅力，不在局限于本科室的课本教学，在老师案例式的教学课堂上，也收获了如何将理论和实际相结合的方法。