對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程實(shí)踐教學(xué)的改革與探索

1、對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程實(shí)踐教學(xué)的改革與探索 化學(xué)反應(yīng)過程是化工生產(chǎn)過程的核心,流程中反應(yīng)器的投資不一定最大,但反應(yīng)器的設(shè)計(jì)精度、操作控制精度均要高于其它設(shè)備,是決定最終產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵部位?；瘜W(xué)反應(yīng)工程是一門研究工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)、優(yōu)化、放大的工程學(xué)科。目標(biāo)是通過學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生分析、解決工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)、操作和控制中遇到的實(shí)際工程問題的能力?；瘜W(xué)反應(yīng)工程是人類從科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)發(fā)展起來的,它離不開科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐。學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)普遍感到理論抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣、工程問題多,不少學(xué)生認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)工程課程是大學(xué)中最難學(xué)習(xí)的課程之一。本科生的工程背景知識(shí)不足,僅靠理論教學(xué)難易將反應(yīng)工程基本

2、原理與工業(yè)反應(yīng)過程有效結(jié)合,難易將知識(shí)內(nèi)化為學(xué)生的能力。開好這樣一門課程,改革實(shí)踐教學(xué)是深化書本理論知識(shí)、強(qiáng)化工程應(yīng)用能力的有效途徑之一。為此,青海大學(xué)化工學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱“我院”)在加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)方面進(jìn)行了一系列的探索,采取加大課程實(shí)驗(yàn)、開設(shè)課程設(shè)計(jì)、開展反應(yīng)器操作仿真實(shí)訓(xùn)、鼓勵(lì)學(xué)生參加科研活動(dòng)等一系列改革措施,取得良好的教學(xué)效果,顯著加深了學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程基本原理的理解,有效提高了學(xué)生在反應(yīng)器設(shè)計(jì)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、反應(yīng)器操作等方面的實(shí)踐動(dòng)手能力。 一、開設(shè)課程設(shè)計(jì)、培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)和反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力 我院開設(shè)了為期2周的化學(xué)反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì),要求每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成硫酸轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì),采用二轉(zhuǎn)二

3、吸中的“3+1”或“2+2”式工藝、四段間接換熱絕熱式固定床催化反應(yīng)器。每個(gè)學(xué)生的設(shè)計(jì)規(guī)模、進(jìn)一段的原料氣組成、凈化率、轉(zhuǎn)化率、吸收率不相同,學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)資料、查找設(shè)計(jì)方法、搜集計(jì)算公式、選擇工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。完成后撰寫設(shè)計(jì)說明書,內(nèi)容包括設(shè)計(jì)任務(wù)書、目錄、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介、工藝計(jì)算、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總、設(shè)計(jì)評(píng)述與討論、參考文獻(xiàn),等等。設(shè)計(jì)過程中學(xué)生之間廣泛討論,商討設(shè)計(jì)方法,學(xué)習(xí)氛圍濃厚。雖然過程相似,但設(shè)計(jì)條件不同,每個(gè)學(xué)生都要單獨(dú)完成自己的設(shè)計(jì)任務(wù)。通過該課程設(shè)計(jì),學(xué)生對(duì)固定床催化反應(yīng)器的形式和特點(diǎn),固體催化劑的性能、內(nèi)擴(kuò)散有效因子的概念和計(jì)算方法,平衡溫度、平衡溫度曲線的概念和繪圖方法,最佳

4、溫度、最佳溫度曲線的概念和繪圖方法,各段進(jìn)出口溫度、進(jìn)出口轉(zhuǎn)化率的最佳分配方法,利用本征動(dòng)力學(xué)方程,通過數(shù)值積分計(jì)算反應(yīng)時(shí)間的方法,催化劑用量的計(jì)算及校正方法,反應(yīng)器直徑、高度及其它附件尺寸的計(jì)算方法等知識(shí)點(diǎn),有了深刻的理解和較好的掌握。 二、逐步加大實(shí)驗(yàn)、鞏固所學(xué)知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力 對(duì)于化學(xué)反應(yīng)工程這種實(shí)踐性很強(qiáng)的工程學(xué)科來說,實(shí)驗(yàn)是學(xué)生參加實(shí)踐獲取知識(shí)所必需的學(xué)習(xí)途徑。而化學(xué)反應(yīng)工程的主要研究方法也是應(yīng)用理論推演和實(shí)驗(yàn)研究工業(yè)反應(yīng)過程的規(guī)律而建立的數(shù)學(xué)模型方法。所以教會(huì)學(xué)生如何建立各類實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器,如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、反應(yīng)條件選擇和數(shù)據(jù)處理非常有用。為此在課程建設(shè)中,我院通過專業(yè)實(shí)驗(yàn)課、綜

5、合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)課,逐步加大與化學(xué)反應(yīng)工程有關(guān)的實(shí)驗(yàn)。目前開設(shè)多釜串聯(lián)流動(dòng)特性的測(cè)定、管式反應(yīng)器流動(dòng)特性測(cè)定兩個(gè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn);開設(shè)乙酸乙脂水解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的測(cè)定、乙醇催化裂解制乙烯反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)定、乙苯脫氫制苯乙烯、反應(yīng)精餾制乙酸乙酯等四個(gè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生對(duì)返混、脈沖法、階躍法的概念以及停留時(shí)間分布的測(cè)定方法,多釜串聯(lián)模型、軸向混合模型的流動(dòng)特性,理想流動(dòng)反應(yīng)器與實(shí)際反應(yīng)器停留時(shí)間分布的區(qū)別,連續(xù)均相流動(dòng)反應(yīng)器的非理想流動(dòng)情況及產(chǎn)生返混原因,全混釜中連續(xù)操作條件下反應(yīng)器內(nèi)測(cè)定均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的原理和方法,反應(yīng)精餾與常規(guī)精餾的區(qū)別,連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)體系中氣固相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法,溫度、濃

6、度、進(jìn)料流量對(duì)不同反應(yīng)結(jié)果的影響,轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率的概念及計(jì)算方法等知識(shí)點(diǎn),有了透徹的理解。課堂上學(xué)習(xí)的理論知識(shí),不但在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證和鞏固,而且得到了應(yīng)用,掌握了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定和相關(guān)設(shè)備的使用方法。 三、開展仿真實(shí)訓(xùn)、培養(yǎng)實(shí)踐操作能力 我院以前有四周生產(chǎn)實(shí)習(xí),實(shí)習(xí)中遇到企業(yè)為了安全和效益等因素不允許學(xué)生親自動(dòng)手操作時(shí),學(xué)生得不到實(shí)際操作設(shè)備的鍛煉機(jī)會(huì);一般實(shí)習(xí)一個(gè)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程,學(xué)生掌握了工藝流程、生產(chǎn)原理之后,實(shí)習(xí)后期學(xué)習(xí)興趣、主動(dòng)性降低,影響實(shí)習(xí)效果等問題。而且目前大部分化工企業(yè)采用dcs控制,技術(shù)員主要在控制室通過電腦操作控制生產(chǎn)過程。隨著信息時(shí)代的到來,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的

7、應(yīng)用越來越廣泛,采用仿真技術(shù)將復(fù)雜的工業(yè)反應(yīng)過程虛擬化,從而在計(jì)算機(jī)上以“慢速”再現(xiàn)反應(yīng)過程及變化特征,將“抽象”化為“形象”,動(dòng)態(tài)演示工業(yè)生產(chǎn)過程。并且,仿真實(shí)訓(xùn)具有無消耗、無污染、可重復(fù)操作等優(yōu)點(diǎn)。為此我院購(gòu)買了北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司的化工培訓(xùn)軟件,在校內(nèi)建立仿真實(shí)驗(yàn)室,開展仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)。將以前四周全在企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)改為前兩周在企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí),后兩周在校仿真實(shí)驗(yàn)室開展仿真實(shí)訓(xùn)。目前我院開設(shè)的與化學(xué)反應(yīng)工程有關(guān)的仿真實(shí)習(xí)項(xiàng)目有固定床反應(yīng)器單元、流化床反應(yīng)器單元、間歇反應(yīng)釜單元,以及30萬噸合成氨生產(chǎn)工藝中的反應(yīng)部分、甲醇生產(chǎn)工藝中的反應(yīng)部分,等等。學(xué)生要進(jìn)行冷態(tài)開車操作、正常生產(chǎn)操作

8、、停車操作、故障處理操作,以及單人單工段、多人單工段、多人多工段等操作環(huán)節(jié)的實(shí)訓(xùn)。通過仿真操作訓(xùn)練對(duì)于學(xué)生了解化工反應(yīng)過程、以及工藝和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、提高對(duì)化工生產(chǎn)過程的運(yùn)行和控制能力具有特殊效果。這種運(yùn)行、調(diào)整和控制能力,集中反映了學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的水平。所以,仿真訓(xùn)練是運(yùn)用高科技手段強(qiáng)化學(xué)生掌握知識(shí)和理論聯(lián)系實(shí)際的新型教學(xué)方法。 四、參與科研活動(dòng)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力 鼓勵(lì)和指導(dǎo)學(xué)生參與科研活動(dòng),培養(yǎng)創(chuàng)新能力,是我院進(jìn)行的又一項(xiàng)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的改革措施。引導(dǎo)學(xué)生積極申報(bào)國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn) 計(jì)劃項(xiàng)目、青海大學(xué)“大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目”、吸納學(xué)生參加教師的科研項(xiàng)目,結(jié)合畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn),給學(xué)生提出難度、深度和工作量相對(duì)適中的課題,或從教師承擔(dān)的科研項(xiàng)目中分出一部分專題,讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下開展研究工作。經(jīng)過多年努力,目前我院化學(xué)工程系近30%的學(xué)生參與科研活動(dòng)。參與完成了粒狀吸附劑制備、沸石吸附性能表征、反應(yīng)沉淀法分離油田水中的鈣鎂離子、處理鋅冶煉廢水的中試反應(yīng)器設(shè)計(jì)、屠宰廢棄物發(fā)酵反應(yīng)條件優(yōu)化、固相反應(yīng)法制備硫酸鋅、化學(xué)沉淀法分離鹽湖鹵水中的鈣鎂離子等與化學(xué)反應(yīng)工程知識(shí)有關(guān)的課題。使學(xué)生接觸和了解部分學(xué)科前沿知識(shí)和研究動(dòng)態(tài),拓寬了學(xué)生的視野