矛盾分析原理在化学反应工程学科中的应用.pdf
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1、浙江科技学院学报,第 卷第期,年月J o u r n a l o fZ h e j i a n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yV o l N o ,A p r d o i:/j i s s n 收稿日期:基金项目:浙江省“十四五”研究生课程思政示范课程(浙学位办 号);浙江科技学院研究生重点课程建设项目(y j s k j );浙江科技学院教研教改重大项目(j g )通信作者:张良佺(),男,安徽省铜陵人,教授,博士,主要从事绿色化工过程开发研究.E m a i l:q q c o m.矛盾分析原理在化学
2、反应工程学科中的应用张良佺,沈涛,盖希坤,毛建卫(浙江科技大学 生物与化学工程学院,杭州 )摘要:为培养学生正确的价值观和提高其工程思维能力,将唯物辩证法的矛盾分析原理应用于化学反应工程学科当中,形成工程哲学思维,从整体性和本源性两方面理解和把握学科底层逻辑,进而贯通学科知识.具体而言,首先基于矛盾的特殊性原理,针对研究对象和研究方法,从整体上探讨了本学科与其他学科之间的区别;其次从主要矛盾与次要矛盾之间的关系原理出发,对本学科所涉及的诸多矛盾进行了梳理;再次基于矛盾各方面在过程发展中的地位与特点不同,对本学科中所研究的一些现象进行了重点剖析,并给出了该原理在方法论上的重要意义;然后依据矛盾普
3、遍性与特殊性相结合的原理,很好地阐释了解决本学科所面对的主要工程问题的基本思路,包括如何选择反应器设备型式及操作方式;最后从矛盾各方面的相互联结、矛盾总体对矛盾各方面的限制和约束原理出发,集中探讨了本学科不同于其他学科的主要特色.关键词:矛盾分析;工程哲学;底层逻辑;化学反应工程;课程思政中图分类号:G 文献标志码:A文章编号:()A p p l i c a t i o no f c o n t r a d i c t i o na n a l y s i sp r i n c i p l e t oc h e m i c a l r e a c t i o ne n g i n e e r
4、i n gZ HANGL i a n g q u a n,S HE NT a o,GA IX i k u n,MAOJ i a n w e i(S c h o o l o fB i o l o g i c a l a n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g,Z h e j i a n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,H a n g z h o u ,Z h e j i a n g,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt of
5、o s t e rs t u d e n t s c o r r e c tv a l u e sa n de n h a n c et h e i re n g i n e e r i n gt h i n k i n ga b i l i t i e s,t h ep r i n c i p l eo f c o n t r a d i c t i o na n a l y s i s i nm a t e r i a l i s td i a l e c t i c sw a sa p p l i e dt ot h e f i e l do fc h e m i c a lr e a
6、c t i o ne n g i n e e r i n g,w i t hav i e w t oe s t a b l i s h i n ga ne n g i n e e r i n gp h i l o s o p h i c a lm i n d s e tt h a tc o m p r e h e n d sa n d g r a s p st h es u b j e c t s u n d e r l y i n gl o g i cf r o m a h o l i s t i ca n df o u n d a t i o n a lp e r s p e c t i
7、v e,t h e r e b yb r i d g i n gd i s c i p l i n a r yk n o w l e d g e T os t a r tw i t h,b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp a r t i c u l a r i t yo f c o n t r a d i c t i o n,t h ed i s t i n c t i o nb e t w e e nt h i sd i s c i p l i n ea n do t h e r sw a se x p l o r e dh o l i s t i
8、c a l l yi nt e r m so fr e s e a r c ho b j e c t sa n d m e t h o d s;a d d i t i o n a l l y,t h en u m e r o u sc o n t r a d i c t i o n s i n v o l v e d i nt h i sd i s c i p l i n ew e r eo r g a n i z e d i no r d e rb yu t i l i z i n g t h ep r i n c i p l eo f t h er e l a t i o n s h i
9、pb e t w e e np r i m a r ya n ds e c o n d a r yc o n t r a d i c t i o n s;t h e n,b yc o n s i d e r i n gt h ev a r y i n gp o s i t i o n sa n d c h a r a c t e r i s t i c s o f e a c h a s p e c t o fc o n t r a d i c t i o n t h r o u g h o u tt h e p r o c e s s o fd e v e l o p m e n t,s p
10、 e c i f i c p h e n o m e n a w i t h i n t h i s d i s c i p l i n e w e r e a n a l y z e d,h i g h l i g h t i n g t h em e t h o d o l o g i c a ls i g n i f i c a n c e o ft h i s p r i n c i p l e;f o u r t h,b y c o m b i n i n g t h e u n i v e r s a l i t y a n dp a r t i c u l a r i t yo
11、f c o n t r a d i c t i o n,b a s i c i d e a sw e r ec l e a r l yp r e s e n t e do nh o wt oe f f e c t i v e l ya d d r e s st h ep r i m a r ye n g i n e e r i n gc h a l l e n g e sf a c e db yt h i sd i s c i p l i n e,i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no fr e a c t o re q u i p m e n t t
12、 y p e sa n do p e r a t i o n a lm o d e s;f i n a l l y,t h em a i nf e a t u r e so f t h i sd i s c i p l i n ed i s t i n c t i v ef r o mo t h e r sw e r ee x p l o r e d,s t a r t i n gf r o mt h e i n t e r c o n n e c t e d n e s so fa l l a s p e c t so fc o n t r a d i c t i o na n dt h e
13、o v e r a l l l i m i t a t i o na n dr e s t r i c t i o n i m p o s e db yc o n t r a d i c t i o no na l l a s p e c t s K e y w o r d s:c o n t r a d i c t i o na n a l y s i s;e n g i n e e r i n gp h i l o s o p h y;u n d e r l y i n gl o g i c;c h e m i c a l r e a c t i o ne n g i n e e r i
14、n g;c u r r i c u l u mi d e o l o g ya n dp o l i t i c s化学反应工程是化学工程与工艺专业的主干学科,在该专业整个学科体系中占据核心地位.该学科是建立在无机化学、有机化学、物理化学及分析化学等基础化学学科之上,同时与传递过程原理、化工设备、化工过程控制紧密联系在一起,而本学科关于化学反应器开发理论又为化学工艺学提供了核心基础 .化工过程的开发主要指化学反应器的开发,因此,了解并切实掌握本学科的基本理论和方法是现实的迫切需要.由于工业反应器中所涉及的过程复杂,既有反应过程,又存在着大量的物理过程,两者相互影响、相互渗透,由此演绎出一系列不
15、同于其他学科的新知识、新理论和新方法.本学科中很大部分内容涉及非均相反应器的模拟和优化,需要求解众多非线性微分方程,这不仅要求学生具备较高的数学素养,而且还要求其必须具备较强的编程能力 .诸如此类,客观上也增加了学好本学科知识的难度.笔者经过长期的教学实践,对学生现状有着较为准确的了解.对大多数学生而言,当务之急是加强其工程哲学思维能力,使其对学科的底层逻辑能有深刻的认识和领会,贯通学科知识,从而培养其浓厚的学习兴趣,进而产生良好的学习效果.当前,众多高校院系各学科都在大力倡导课程思政建设,思政建设内容言人人殊,颇有百花齐放之景象 .依据化学反应工程学科自身的特点,笔者认为思政建设一项重要的内
16、容是将唯物辩证法的矛盾分析原理与学科的具体实际问题结合起来,对学科底层逻辑做一全面钩沉梳理,从而形成具有专业特色的工程哲学思维 .如此方可有效避免思政建设的形式化和空洞化,培养学生具有系统的、深刻的、唯物辩证的工程哲学思维,不仅能为其今后的科研创新提供有力的方法论上的指导,而且有益于培养出具有中国特色社会主义建设的高层次专业人才,更有益于学生具备明确的认定事物、辨别是非的思维能力,从而塑造正确的价值取向.人们对事物的认识总是经历由特殊到一般,再由一般到特殊的两个过程 .根据这样的认识规律,本研究拟先阐述本学科在整体上不同于其他学科的特殊性,其次从矛盾各方面的特点与地位出发作出辨析,再从矛盾的普
17、遍性与特殊性之间的关系角度进行探讨,最后从矛盾各方面的同一性,以及同一性对矛盾各方的限制与约束原理出发进行梳理,以完成认识上的否定之否定过程;同时也期望向读者阐明,本学科在其绚丽、繁杂的数学推导演绎之外,还有其内在的底层逻辑.唯有将这些底层关系全面展现,方能了解本学科的完整面貌.从矛盾的特殊性原理来把握本学科的底层逻辑任何一门学科之所以能够成立,必须要有统一的研究对象和研究方法,这构成了一学科区别于其浙江科技学院学报第 卷他学科的内在根据,也是我们认识一门学科的基本出发点.正如毛泽东在 矛盾论 中指出的:“任何运动形式,其内部都包含着本身特殊的矛盾.这种特殊的矛盾,就构成一事物区别于他事物的特
18、殊的本质.”例如,化学工程学科其研究对象是传递过程,包括动量传递、热量传递和质量传递;化工热力学其研究对象则是将大量分子组成的体系视为一个整体,研究大量分子中发生的平均变化,用宏观物理量来描述体系的状态.化学反应工程所研究的对象是工业规模进行的反应过程,这是本学科不同于其他学科之所在.在工业规模进行的反应过程中自然以化学反应为主,但同时也包含着大量的物理过程.尤其是这些物理传递过程与反应过程相互之间存在着极为复杂的联结作用,由此派生出不同于其他学科的重要特征.一般化学工程所采取的研究方法主要是基于相似论的无因次准数关联法,虽然为减少实验工作量而建立了实验方法论,以使实验结果在几何尺寸上能“由小
19、见大”,在物料品种方面能“由此及彼”,但该法本质上仍属于经验法.化学反应工程所采取的研究方法具有不同于一般化学工程学科的鲜明特点,由于反应过程的非线性,准数关联法在反应器的放大研究过程中不再适用.故本学科自始至终都强调数学模型法,认为该研究方法是本学科未来的发展方向.相较于经验放大法,数学模型法是基于对过程的深刻理解,不仅是定性的理解,而且是定量的理解.因为把握住了过程的本质,并在此基础上进行简化,所以该法是更为科学的方法,可以获得“由表及里”之功效.从主要矛盾与次要矛盾之间的关系来把握本学科的底层逻辑毛泽东在 矛盾论 中指出:“在复杂的事物的发展过程中,有许多的矛盾存在,其中必有一种是主要的
20、矛盾,由于它的存在和发展规定或影响着其它矛盾的存在和发展.”考察化学反应工程学科,可以知道反应器中所发生的工业反应过程是个极为复杂的大系统.对该系统进行矛盾分析,从学科最底层来看,存在着工业反应器作为一个整体与工业反应过程之间的矛盾,以及工业反应器与反应器设备之间的矛盾.在这两对矛盾中,由于“过程”是最活跃、最复杂的因素,它的运动变化对反应场所的浓度和温度提出不同的要求,而“反应器设备”将以其结构型式、尺寸及操作方式的改变来满足“过程”的需要.因此,反应器与工业反应过程之间的矛盾占主导地位,是主要矛盾.反应器的结构与型式属于次要矛盾.工业反应过程又可分解为传递过程和反应过程,它们之间的相互影响
21、、相互作用构成了在基本矛盾之上的第二层次矛盾.在该层次矛盾中,一般而言,反应过程是核心,它对传递过程提出相应的要求,传递过程则需满足这种要求.因此总过程与反应过程之间是主要矛盾,与传递过程之间则居于从属地位,属于次要矛盾.属于第二层次矛盾的还有反应器设备与其结构,以及设备与其型式之间的对立统一.结构是指由相关构件按照合理方式组织在一起,形成不同的空间型式和空间组合,以满足不同的传递过程需要.相对于外在的型式,结构属于内在的因素,因此设备与其结构之间的矛盾为主要矛盾.型式是指设备的内部空间和外部体形,是外在的,设备与其型式之间通常属于次要矛盾.传递过程又分为动量、质量和热量三种传递方式,它们之间
22、相互区别,又相互影响,从而构成了第三层次矛盾.其中动量传递是主要矛盾,热量传递、质量传递往往是相伴而生的,处于从属地位,是次要矛盾.反应过程分为基本类型反应和复合反应系统.基本类型反应包括:简单反应、可逆反应、平行反应、串联反应和自催化反应五种.有时将自催化反应纳入简单反应系列,则基本类型反应减为四种.复合反应系统由基本类型反应组合而成,因此它往往可以分解为一系列基本类型反应.在复合反应系统中,在不同的条件下,通常表现为某一种基本类型的反应占主导地位,是整个反应系统的主要矛盾,其他的反应为次要矛盾.因此不同基本类型反应之间的矛盾构成了第三层次矛盾系统.第期张良佺,等:矛盾分析原理在化学反应工程
23、学科中的应用例如:苯氧化生产顺丁烯二酸酐的简化模型 CHOkCHOOkC O,C O,HOOk是一个由平行反应和串联反应组成的复合反应.三个反应活化能的高低关系为EEE,该反应在固定床反应器中进行.显然,在固定床反应器的进口部位,由于原料浓度高,其平行副反应是影响反应选择率的主要因素,为主要矛盾,串联副反应为次要矛盾.忽略次要矛盾的影响,抓住主要矛盾,于是,反应模型可简化如下:CHOkCHOC O,C O,HOOk而在反应器的后部,由于产物顺酐的生成和原料中苯浓度的减少,这时串联副反应是造成选择率降低的主要因素,成为过程的主要矛盾,平行副反应转化为次要矛盾.同样忽略次要矛盾的影响,反应模型可简
24、化如下:CHOkCHOOkC O,C O,HO为强化整个反应系统,提高选择率,根据EE,反应器进口处应取高温;而EE,为降低反应产物顺酐深度氧化反应的程度,反应器后部应取低温.整个反应过程要求沿反应器长度呈前高后低的温度序列.可见主要、次要矛盾的分析,给了我们很重要的方法论上的启示.对于每一个具体的传递过程,其进行的速率可以表示为推动力与阻力之比,因此传递过程包含了速率与推动力、速率与阻力之间的矛盾;而反应过程则包含了反应速率与浓度、反应速率与温度之间的矛盾,它们属于第四层次的矛盾.在本学科中,第四层次的矛盾属于最基本、最简单的矛盾.为使读者易于了解,现将工业反应过程中所包含的诸多矛盾以树状结
25、构图的形式表示,其示意图见图.图工业反应器中各层次矛盾示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n t r a d i c t i o n sa td i f f e r e n t l e v e l s i n i n d u s t r i a l r e a c t o r s在上述复杂的矛盾系统中,处于第二层次的反应过程与传递过程之间的关系无疑是最为重要的,反应工程学科中大部分的研究内容都是围绕着这一对关系而展开的.另外,需要强调说明的是,以上关于主、次矛盾的划分,仅就一般情形而论.事实上,在过程发展的不同阶段,当条件发生变化时,主
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