比较教学法在化学反应工程教学中的实践与探讨

＊宋芃 王乃鑫 安全福

（北京工业大学 环境与生命学部 北京 100124）

化学反应工程作为化学工程相关专业的重要研究方向，主要研究化学反应的工程化问题，具体研究内容又分为化学反应动力学和反应器的设计和优化两个主要部分。本门课程既利用到高等数学、物理化学、化工热力学、化工原理以及化工传递过程等几门重要的化学工程相关专业课程的知识，又是概括化学工程生产过程特征“三传一反”（动量传递、热量传递、质量传递和化学反应工程）的重要组成部分，其在众多化学工程专业课程中的重要性不言而喻[1-2]。随着近年来新工科专业建设思路的提出以及工科课程思政建设改革的不断深化，对现有课程内容的教学手段和方法创新迫在眉睫[3-4]。虽然化学反应工程的课程内容相对复杂，但是其中大部分内容具备较强的系统性和逻辑性，可以通过引入比较教学方法，强化学生对化学反应工程多元化知识体系的理解。此外，通过引入课程思政内容，以比较教学法为手段，能够有效的加强学生对所学理论知识的认识和工程实践能力，并且实现以思政元素立德树人的目的。

1.比较教学法在化学反应工程新教学体系中的应用

化学反应工程作为化学工程专业重要的专业课程，教学内容主要包括均相单一反应动力学和理想反应器、复合反应与反应器选型、非理想流动反应器、气固相催化反应本征动力学、气固相催化反应宏观动力学、气固相催化反应固定床反应器和气固相催化反应流化床反应器等[5]。其中，单一反应和复合反应的比较、理想平推流反应器与理想全混流反应器的比较、理想反应器和非理想反应器的比较等案例，都是教学过程中经典的比较教学内容。除了上述经典的比较教学内容之外，作者总结了几个在教学实践中发现的其他的比较教学内容，进一步加强学生对所学知识的认识。

例1：在学习复合反应时，分别介绍了两种比较常见的复合反应类型：平行反应和连串反应。在这两种复合反应中，我们通过选择性来判断产物的情况。无论是平行反应的瞬时选择性还是连串反应的瞬时选择性，其定义均为：

根据两种复合反应的类型不同，平行反应的瞬时选择性主要取决于反应物分别进行两个平行反应的化学反应速率。因此，平行反应的瞬时选择性定义如下：

其中，-rA1为目的产物的化学反应速率；-rA2为副产物的化学反应速率。根据化学反应速率常数和反应活化能的大小，可以了解如何改变操作条件，即温度和反应物浓度，来得到更多的目的产物。对于连串反应，其瞬时选择性定义如下：

其中，-rP为生成目的产物的化学反应速率；-rA为消耗反应物的化学反应速率。当且仅当连串反应为一级反应而且化学计量系数a和p都等于1时，连串反应的瞬时选择性可以简化为：

可见，在两种不同类型的反应中，瞬时选择性在特定的条件下，有相似之处，如指数项的写法，指前因子的比例等。不同的是，平行反应的化学反应速率常数和浓度项在分母上，而连串反应中，化学反应速率常数和浓度项不在分母项上。因此，除了反应物浓度可以比较直接的影响复合反应的瞬时选择性之外，在讨论温度对化学反应速率常数的影响时，应注意活化能的相对大小。通过比较两种反应的瞬时选择性，能够比较直观的观察得到反应温度变化对选择性的影响。通过对两种反应的瞬时选择性的比较，能够直接的观察得到反应条件变化对反应目的产物浓度的影响，在进行具体的反应器选型计算之前加入上述比较教学内容，能够加深学生对复合反应规律本身的认识，方便学生深刻理解两种复合反应的基本规律。

例2：在非理想流动反应器的这章中介绍了两种停留时间分布规律的实验测定方法，分别为阶跃输入法和脉冲输入法。在求解阶跃输入法的停留时间分布函数时，应对进入反应器的物料进行物料衡算，能够得到示踪剂浓度c与停留时间分布函数F(t)之间的关系如下：

通过测量在不同测量时间下的示踪剂浓度和已知的示踪剂的初始浓度，就能够求解出停留时间分布函数。而在脉冲输入法中，相应的停留时间分布函数F(t)表达式如下：

其中，mt是停留时间小于t的示踪剂的量；m∞是示踪剂的总量。通过对两者的积分求解，能够得到相应的停留时间分布函数F(t)。此处，在阶跃输入法中，停留时间分布函数的求解是利用浓度的商，而在脉冲输入法中，停留时间分布函数的求解需要对相应的示踪剂的量进行积分。这种差异的根本原因是示踪剂的加入方法不同。阶跃输入法中，示踪剂的浓度从一种稳态到另一种稳态，其变化为阶跃变化。一般而言，原料液中几乎不含有示踪剂，从某一时刻后，提高原料液中的示踪物浓度或者全部切换为示踪物本身。这种示踪剂的输入方式决定了示踪剂的出口处浓度变化与停留时间分布函数类似，即随着时间的不断增加，示踪剂的出口浓度越来越接近阶跃后的示踪物浓度。而在脉冲输入法中，示踪剂在一个极短的时间内注入到进口中，然后进口处又快速的恢复原来的进料。出口处示踪剂的浓度会随着时间的增加先增加而后减少。这两种输入方法的区别决定了求解停留时间分布函数的差别。将上述两种输入方法进行比较，可以帮助学生学习解决实际工程问题的思路，并更进一步的理解两种测定停留时间分布的实验方法的异同。除了上述输入方法的对比外，我们还应注意到停留时间分布函数F(t)和停留时间分布密度函数E(t)之间的重要关系：

在这个关系中，停留时间分布函数即为停留时间分布密度函数对时间的积分。而停留时间分布密度函数与脉冲输入法的浓度-时间曲线又相类似。因此，在利用脉冲输入法测量反应器的停留时间分布函数时应采用积分形式。通过上述两种函数与两种输入方法的比较，帮助学生更深刻的理解了停留时间分布函数F(t)和停留时间分布密度函数E(t)之间的关系。

例3：在学习非理想流动模型时，首先介绍了凝集流模型，通过提出流体元的概念，引入了凝集流模型的具体假设，即物料在反应器内以流体元的形式存在，而流体元各自以不同的停留时间通过反应器，不同的流体元间也不存在物质交换。每个流体元可以被视为一个间歇反应器或平推流反应器，出口处的参数是各流体元中参数的平均值。当停留时间分布是连续函数时：

其中，xA为单个流体元中的转化率，是时间的函数。上述公式等效于将若干理想间歇反应器或平推流反应器并联，因为每个反应器中的反应物停留时间（空间时间）不同，所以达到了将非理想流动的影响明显化的目的。而在第二章讨论理想反应器的组合时，无论平推流反应器还是全混流反应器并联操作时，都明确要求其停留时间（空间时间）相同，否则将会造成返混。而此处介绍的凝集流模型，正是要将非理想流动（返混）的影响明显化。这种比较帮助同学们认识了为何理想反应器并联操作要遵守停留时间一致的原则，也明确了凝集流模型中，就是要将返混的影响扩大。这种比较将非理想流动反应器中的凝集流模型和理想反应器的组合知识联系起来，提高了学生对两种概念相同和不同之处的理解。

第二种非理想流动模型为多级混合槽模型。多级混合槽模型由N个容积相等的理想全混流反应器串联组成，从一个反应器到下一个反应器之间的管道内不发生化学反应。在该模型的学习中，有两部分内容用到比较教学的方法。首先，利用阶跃输入法测定多级混合槽模型的停留时间分布，在对示踪剂进行物料衡算时，其衡算式为输入量-输出量=积累量，公式如下：

其中，微分项为反应器内示踪剂的积累量。此处的积累量与理想反全混流反应器的设计方程中，对反应物料进行衡算时的积累量定义不同，此处为示踪剂浓度的积累量，是不断增加的。而在理想反应器的反应物物料衡算中，因为反应器连续操作，反应器内没有反应物料的积累。此处应对两种物料衡算方程进行比较，指出两种方程中积累量的区别，帮助学生复习理想全混流反应器的物料衡算式，同时也对学生掌握多级混合槽模型起到关键作用。此外，用对比时间表示的散度为：

其中，N为串联的多级混合槽的个数。散度可以表达反应器中返混的程度，用对比时间表示时，其值为0，则反应器中没有返混；其值为1，则返混达到最大，分别对应理想平推流和理想全混流反应器。此处的散度值与串联的理想全混流反应器数量成反比，可以与此前的理想流动反应器组合这一节的内容进行比较。当全混流反应器进行串联操作时，可以实现更接近理想平推流反应器的设计情况。与之相对应的，正式多级混合槽模型中N取值的两个极端情况，即N等于1和N趋于无穷大。此外，在多级混合槽模型中，N的取值可以不是整数，数字的取值仅代表与之等效的串联效果。比较之下，全混流反应器的串联操作，反应器的数量一定为整数。对比两者的差异，也能更好地理解多级混合槽模型和理想全混流反应器串联操作的异同。

2.比较教学法在化学反应工程课程思政建设中的应用

化学反应工程的课程思政工作开展，应结合学生所学习的专业知识背后所蕴含的思政内涵，通过结合专业知识发展的各个阶段，不仅传授学生课程所涉及的专业知识，也把技术发展过程中蕴含的有思想价值的内容一并传授给学生，达到三全育人的目的。在本节我们通过一个实例来介绍比较教学法在化学反应工程课程思政体系中的应用。

例4：在学习三种单相理想反应器时，我们通过比较得知，在同样的进出口物料条件下，理想全混流反应器的设计体积最大，间歇反应器次之，理想平推流反应器的设计体积最小。而为了达到较高的转化率，反应器的体积会随着转化率的增加不断增加，结果是不断提升了反应器的制造成本。因此，在设计反应器的时候，应考虑实际生产需要，因地制宜，结合化工企业的生产成本，综合考虑如何选择合适的反应器类型。为提升学生对该问题的了解程度，此处通过比较教学法，在课程内容设计上引入一个思政元素，生动形象的为同学们呈现一个历史故事，达到课程思政教育的目的。这个故事就是侯德榜博士在永利川厂钻研大名鼎鼎的“侯氏制碱法”的故事[6]。虽然作为化学工程相关专业的学生，大部分同学都对侯德榜博士和侯氏制碱法有或多或少的了解，但侯氏制碱法由来的背景和其所蕴含的思想还不够熟悉。1922年春节后，侯德榜博士赶赴塘沽永利碱厂，开始了其后长达数年的技术攻关。碱厂从无到有，从小到大，从技术基本过关到生产质量提高，中国人在自己的国家，掌握和利用了苏尔维法制碱技术，生产出了自己的纯碱，打破了国外公司对我国碱类市场的垄断地位，并出书把制碱工艺公开，表明了中国人反对外国公司垄断制碱工业的决心。至此，我国的化工工业在范旭东、陈调甫以及侯德榜博士的努力奋斗下，成长迅速。1937年，侯德榜博士和永利制碱公司的创办人范旭东决定把永利碱厂内迁四川，创办永利川厂，继续从事制碱工作，为国家的化工工业做出贡献。在四川，由于井盐的价格较高，而之前采用的苏尔维法制碱技术对盐的利用率较低，使用苏尔维法使制碱成本居高不下。从控制生产成本和优化化工工艺的角度出发，四川较高的井盐价格促使侯德榜博士钻研和优化制碱工艺，最大程度上提高盐的利用率，并能够同时生产其他有经济价值的产品。这种工艺优化不仅能够因地制宜，适应新的生产环境，国家的民族化工产业发展。侯氏制碱法就在这样的时代背景下诞生了。此方法将氨碱工业生产联合起来，提高了盐的利用率，中国化工技术人员为民族化工企业的发展做出的卓越贡献。

回到课程上所学习的专业知识，我们应向侯德榜博士以及在永利川厂的设计建造中踊跃出的技术人员们学习，他们能够利用自己的专业知识，探索开发出国家需要的产品。结合我们现在的时代背景，第75届联合国大会上提出中国争取2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和的目标；《中国制造2025》国家行动纲领。结合化学工程相关专业所学习的专业知识，尤其是化学反应工程课程知识，在设计各种类型的反应器时，也应该根据生产实际和生产成本设计制造不同类型的反应器，实现高效、绿色、低碳的生产目标，为国家的化学工业发展做出自己的贡献。

3.总结

化学反应工程课程涉及到的专业知识虽然需要学生具备较强的前序知识背景，但其知识体系系统性强，课程内容具备一定的逻辑性，因此比较教学法在该课程中能够起到强化学生认知的目的。通过引入比较教学法，不仅提高了学生对诸如停留时间分布的实验测定/停留时间分布（密度）函数、理想反应器的组合/非理想流动模型等相对或相似概念的理解，也能够应用在化学反应工程课程思政建设中，达到培养学生，立德树人的目的。