伴随着社会的发展--以合成氨工业生产条件的选择为例(二)_合成氨工业论文

与社会发展相伴随行——以“合成氨工业生产条件选择”为例（下），本文主要内容关键词为：合成氨论文,为例论文,社会发展论文,生产条件论文,工业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      这是一则与微积分有关的龟兔赛跑故事，它曾经困扰着人们的理性分析与经验判断：假设兔子的跑步速度是1m/s，乌龟的是0.1m/s（亦即兔子的跑步速度是乌龟的10倍），比赛规则是乌龟在领先兔子100m处，与兔子同时出发向前奔跑。人们的理性分析发现有这样一种奇怪的现象：当兔子跑到乌龟的出发处时，乌龟已经向前运动了10m；当兔子再跑到前方的10m处，乌龟又前行1m；兔子继续追赶1m，乌龟又前行0.1m；兔子再行至0.1m处，乌龟又前行0.01m……如此这般，兔子将无限地逼近乌龟，但是兔子始终落在乌龟的后面。然而经验判断告诉人们，按照以上兔子奔跑和乌龟爬行的速度，当它们运动了111.11s后兔子就将追上乌龟。

      仔细思考以上理性与经验之间的矛盾，就会发现理性分析仅仅是局限在空间的距离上加以研究，而忽略了时间变量在其间的作用：兔子一次次抵达乌龟曾经经过的地点，但是所需时间却越来越短，如果仅以兔子和乌龟在空间上的距离为参照系，那么它们最终面临的是一条无形的、不曾逾越的时间“高墙”。实际上时间是不断向前的，兔子和乌龟都将不受时间“高墙”的阻挡而继续前行，因而穿越无形的时间“高墙”后兔子必然超越乌龟。

      有趣的是在合成氨工业条件选择的分析过程中，时间变量的引入也使人们对生产条件选择的视角与观念发生了根本性的改变，而这一切在计算机技术和应用软件（STELLA）的帮助之下的转变是如此清晰而令人震撼。

      一、用STELLA软件构建模拟工业生产条件下合成氨反应的结构模型

      1.建立封闭的合成氨模拟实验的结构模型

      STELLA是一种基于系统思考的计算机应用软件，它所提供的模拟实验平台是根据使用者对特定事件中各要素之间相互联系的给定而自主构建的。用STELLA表征合成氨反应体系的运行结构模型包含以下步骤。

      （1）首先构建表征

可逆反应特征的基本结构模型。

      

      虽然以化学方程式表示的

的合成抑或

的分解，都不是基元反应，用以上速率方程对反应过程的描述并不合适，但是反应的最终状态（平衡态）与反应的过程无关，只与反应物和生成物的浓度相关。通过以上的速率方程对即将并最终到达的化学平衡状态进行研究是可行的。

      （3）引入化学反应速率常数的影响因子。

      

      

      利用计算机应用软件STELLA建立的模拟在封闭体系中合成氨动态反应的结构模型基本完成（见图2）。

      

      

      

      

      图3所示图像中的时间没有实际的物理意义（如秒、分、小时等），横坐标可理解为单位时间的长度。图像可以呈现出反应过程中各组分物质的量浓度、反应速率等物理量随时间变化的整体形象，而表格可以精确刻画各物理量与时间之间的对应关系。

      2.对上述模拟合成氨反应结构模型的检验

      在以上建立的表征合成氨反应特点的结构模型的基础上，进行一系列控制条件下的模拟实验，得到表2所示各组数据（均设定

和

的物质的量浓度之比为化学计量数之比，即为1:3）。

      压强对反应过程的影响，是通过调节反应初始时

的赋值实现的。

的初始值越大，反应体系的压强越高。

      

      

      因为这是一个建立在理想化基础上的表征化学反应特点的数学模型，由此运行得到的数据与合成氨反应实际测出的数据相比，有一定的差距。但是此模型通过数据所反映出的合成氨反应在外界条件影响下发生变化的趋势是一致的（见表3、下页表4、表5）。

      

      

      

      分析以上结构模型得到的数据可以表明：增大反应体系的压强，反应将向有利于合成氨的方向进行；升高温度，将不利于氨的合成；使用催化剂只是加快了反应速率，缩短抵达平衡的时间，对化学平衡状态不产生影响。这与理论推测是相吻合的，由此也可以说明上述程序结构模型基本是合理可信的。

      3.建立开放的模拟合成氨工业生产的结构模型

      借用已经被证实合理的表征封闭体系反应特征的STELLA结构模型（见图4），加入

的“流出”（及时分离出已经合成的

）以及

、

的“流入”（补充因

的分离导致的反应物的损耗），并且使补充的

和

的物质的量与移出的

的物质的量保持组成上的一致性。这就形成了开放的、用于模拟和分析动态的合成氨工业生产过程中各种物质变化的新实验环境。这就相当于哈伯曾经最具有创意地在合成氨的反应装置中加入的“循环”结构，同时也与真实的工业生产过程相契合。

      

      作为工业生产，其关注的重点应是单位时间内获得氨的产量，为此在结构模型中加入获得

的总量随时间的累积函数，据此可以方便地对生产效益进行判断。

      

      

      由图示可知，由于“循环”过程的建立，合成氨反应一旦引发，经过一个短暂的调整时间，很快就进入相对稳定状态（简称为稳态）。但由于是开放体系，所以看见的是从体系中及时分离出的

总量在时间坐标上稳定的累积效应，可以想象的是体系中同时在源源不断地补充

和

。

      使用上述结构模型，在控制条件下进行模拟实验得到的相关数据如下页表6～表8所示。

      

      

      

      稍后会有较为详尽的数据分析过程，但是惊奇却是真实的：温度和催化剂对合成氨的反应过程均有积极的促进作用！也可以说总算看到了开放体系与封闭体系不一样的反应行为。

      如果说平衡体系与动态体系出现差异是由于时间变量在体系行为中的表现不同造成的：封闭的平衡态，承载着对实验条件下反应限度的追寻，使得反应体系以一种低速的状态在时间上不断延续；而开放的稳态，则期待在单位时间内获得最大效益。那么能够加快反应速率的条件都将对此生产过程形成积极影响，这就不奇怪了。

      同时它也给人们带来这样的启示：用以封闭的、静态的平衡体系为研究对象得到的结论，不能简单地推演并解释开放的、动态的稳定体系的行为。

      二、STELLA对学生学习行为所产生的影响

      STELLA用它强大的数学运算功能，在模拟实验中提供了大量的数据。然而获得数据并不是使用STELLA软件的最终目的，数据也不是化学原理的直接表达。借助STELLA，学生可以通过建模（参比真实的反应过程修改模型）、设定变量，在对数据的直接采集、筛选和分析中，逐渐形成对化学原理的理解。此时学生经历着与前人相似的发现知识、形成知识的认知与思维过程，这才是STELLA应用于教学的意义之所在。因而，学生所经历的观察和想象的思维过程、惊奇和激动的心理活动、主动的学习行为、质疑的态度以及科学活动中的创造性体验都是值得关注并记录的。

      1.学生在数据分析方面的思辨性

      在模拟实验中得到的数据，有可能是学生自己选取的，和习题中的数据不一样的是，这些数据没有经过人为的“纯化”，因此某些数据可能不是受一个变量而是受多个变量的影响。数据与心理预期之间的差异，恰恰可以使学生看到事物变化的复杂性，同时也提高了他们的思辨能力。

      

      也正是这种思维的思辨性以及

与反应体系压强之间的直观联系，使得冷静的学生再次发现问题：在研究温度变量对封闭或开放体系影响的模拟实验中，控制的是反应物的浓度。但是即便保持反应物的浓度不变，温度升高，体系的压强也将随之增大。亦即欲保持体系的压强不变（这与生产过程设备的抗压性能有直接的相关性），则在不同温度下，反应体系中的物质的量浓度是不同的。这样，原有的对照实验的方案就转变为如表9和表10所示的结果。

      

      

      运行的结果并没有改变原有的变化趋势。正因为如此，在教学中教师可以有保留地在控制初始浓度不变的条件下，讨论温度对平衡体系或生产过程的影响，以简化实验过程中控制条件的操作过程。

      2.学生思维的开放性和探索性

      学生在模拟实验中的自主性会使得他们在面对问题或疑惑时，可以从多种渠道或手段试图理解和解决问题，进而在此基础上用他们自己可理解的方式形成相关的化学知识。知识的主动建构会激活学生的反思意识，使他们在一步步的追问中深化对问题的认识与理解。由此学习也就超越了在单纯的解题过程中为寻求唯一的正确答案而形成的“固化”的解题思路。

      面对STELLA运行的生产过程（开放体系）在不同条件下得到的与封闭体系相异的数据，学生首先想到的是“怎么会这样？（奇怪）”，继而又想“为什么会是这样？（如何理解）”。

      面对不曾预想到的现象，学生寻求着对问题理解的途径：

      大部分学生是将以上保持与初始压强相同，在不同温度条件下的实验数据进行对比；还有学生选择图3和图5的比对，发现不仅在开放体系中反应物浓度一直维持着较高的浓度值，而且从时间坐标上看，封闭体系为追求平衡的到达历经着一个漫长的“爬行”的过程；也有学生选择

=1 mol/L、673K、活化能为50 kJ/mol条件下封闭体系的平衡浓度和开放体系下稳态浓度，进行反应商的计算。

      如果实验1-3是对实验条件下平衡状态的追求，此时的反应商就是上述封闭体系的平衡常数（K）：

      

      无论是数据的对比还是图像的比对，抑或是通过反应商的计算，最后都使学生得到一样的结论：和封闭体系相比，建立了良好“循环”结构的开放式的生产过程并不追求平衡状态的抵达，甚至远离平衡状态。此时与生产相关的反应体系是在反应物浓度比较高的区域维系着高速的反应状态。因此合成氨工业生产条件的选择与平衡无关，一切有利于加快反应速率的条件都将有利于氨的合成。曾经让人觉得意外的数据也就不再意外了，只是它打破了人们原有的一种思维定势罢了。

      虽然问题似乎已经圆满解决，但有学生会这样质疑：“是否是反应温度还不够高，温度的负面影响还不能显现？”为此学生在STELLA提供的操作平台上，调整与温度相关的变量，进行模拟实验。得到如下两种不同的结果：a.维持

的浓度不变；b.保证体系的压强不变，

和

的物质的量浓度将发生相应的调整。

      意外再次发生。从运行结果可以得知：a.如若保持反应物浓度不变，单纯地升高温度，对合成氨的生产过程始终是有利的。有学生甚至将温度升高到1500℃或更高的温度，60单位时间内获得总

量依旧呈持续增加的趋势，只是增长的幅度在逐渐减小。b.若维持反应体系的初始压强不变，没想到温度升高到773K时，60单位时间内获得总

量就开始下降（见表11）。

      

      拐点出现了！但是比对a与b的实验方式，结合对图5的理解，学生意识到随着温度的升高，60单位时间获得

总量的降低，其实并不是平衡移动（或不利于平衡正向移动）造成的。究其原因却是因为温度升高，在维持反应体系初始压强不变的条件下，气体膨胀导致反应体系中浓度下降的结果。虽然依旧回到“温度过高不利于氨的合成”的表述，但是对原因的理解已然发生了本质的改变！

      为什么模拟实验的数据表明，刚好就在

=1 mol/L、673K时，

的单位时间内的产量最高，这是巧合吗？对温度区间进行更加细致的划分，再次进行模拟实验，可以发现在上述实验条件下生产产量最高的是在603～643K附近的温度区间（见表12）。

      模拟实验中有一点小小的意外：随温度的升高、反应体系中反应物浓度的下降，单位时间内获得

的总量变化在峰值区间出现两个小的峰值（见图6）。这是否可以带给学生这样的想象：在生产环境下反应物浓度与反应温度这两个关键因素之间正发生着抗争与妥协。在适当的压强（与反应物浓度具有直接相关性）、适当的温度条件下，合成氨才能得到最大的产量。

      

      

      虽然一切都是模拟实验，但是STELLA毕竟创造了这样的学习环境：学生感受到的是外界条件不再是孤立的，而是相互关联着对化学反应过程产生影响；合成氨生产条件的选择，也不再是单一变量的机械组合，而是一个涉及多变量的复杂体系，最终的条件确定是反应物的浓度、温度和催化剂活性以及设备的性能等诸多因素相互协调的结果。

      3.学生理解力的提升与视野的拓展

      

      然而，从理论上可以理解的生产条件选择，在实施的过程还会涉及一系列具体的细节问题（如与材料的耐压性能、物质的传热性、物体在管道中的流动性等问题相关），这就体现在工艺流程设计与生产实施之中。由此就不难理解与合成氨工业直接相关的两次诺贝尔奖：一次授予哈伯，因他从原理上解决了氨合成难题；一次授予博施，因他所领导的团队实现了氨合成的工业化。

      三、意外的收获

      在速率与平衡相关联的问题上，经常有这样一种说法：增大压强，反应速率加快，到达平衡的时间缩短。因为高压有利于加快反应速率，缩短到达平衡的时间，这是符合逻辑关系的。具体针对合成氨反应而言，到达平衡的时间是缩短了，但是平衡转化率也增加了，这样的结论合适吗？也就是说压强增大，将有更多的

和

转化为

，消耗的反应物增多，反应需要的时间就会增加，这样到达平衡的时间会短吗？

      以生活经验作为类比，这是又一种形式的“龟兔赛跑”。乌龟和兔子从同一条起跑线上出发，但是兔子的路程比乌龟的长，兔子能在乌龟到达终点之前先期到达终点吗？

      由于STELLA能够很好地将反应体系动力学和热力学的行为结合在一起，所以学生很快就从模拟实验的数据中得到证据：在封闭体系中，以673K条件下的合成氨为例，当

从0.5 mol/L升高到1 mol/L时，反应的转化率从69.8%提升到77.6%，但是到达平衡时间的却从4960缩短到2310。如果是低压状态，那么压强对反应速率的影响就更加明显。在此不经意间就解决了学生为此困扰已久的难题。这样的结果被学生嘻称为“一场永远不会输的比赛”。

      回溯合成氨工业化进程的历史史实，意在让学生能够在追随前人的步伐中，感受和体验“巨人”的思维过程，这不仅与学生自身的认知规律相符，而且有可能就是学生将来面临前沿时的思维逻辑。计算机技术的发展，使得教师和学生有机会借助于应用软件所提供的建模功能和直观的表现形式，深化对合成氨工业化中相关问题的理解；也使得人们有机会从原有的孤立的、静态的、封闭的认识过程中挣脱出来，展望在联系的、动态的、开放的环境下自然生发的物质形态。追随历史看到的是事件的发展，模拟实验得到的是认识的深化，这都是与社会发展相伴而生，也就是“与社会发展相伴随行”的用意。

      附：自2002年起，在江苏科技开发院吴锡军教授的倡导下，由南京市教育局组织、南京市电教馆牵头以及相关中学教师组建了“系统思考与学科教学”课题组，进而扩展为坚持十多年的研究团队，现在南师附中已经成为江苏省“系统思考”的课程基地。

      “计算机模拟合成氨工业生产条件的选择”曾经作为“系统思考与学科教学”研究成果之一，入选2003年21届国际系统动力学年会的会议论文，并赴纽约在教育分会场作专题发言，反响强烈。STELLA应用于教学可以是分层次的：学习与“系统思考”相关的选修课的学生可以直接自己建模、自己模拟实验、自己分析数据；有兴趣的学生可以利用已有的结构模型，用由此软件设置的“滑竿模拟器”，进行控制条件下的模拟实验，进行数据采集和分析；教师也可以借用模拟实验得到的数据，对教学中的疑难问题进行解释与讨论。“系统思考”拓展了人们看世界的视野，带给了人们诸多启示，这是毋庸置疑的。学习和研究仍在继续！

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