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第1篇

關(guān)鍵詞：高職院校；化學(xué)反應(yīng)工程；課程改革；改革實(shí)踐

引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國(guó)高職院校教育工作相對(duì)于先前有了較大的變化，對(duì)人才的培養(yǎng)也有了更高的目標(biāo)。在高職化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中，遵照課程要求，針對(duì)性的逐漸完善化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)體系，提升化學(xué)反應(yīng)工程課程的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)高職院校教育工作的提升是非常關(guān)鍵的。在對(duì)“化學(xué)反應(yīng)工程”課程的改革與實(shí)踐中應(yīng)從如下四個(gè)方面入手：

1、確定建設(shè)目標(biāo)，深化教學(xué)改革，構(gòu)建國(guó)內(nèi)一流課程

化學(xué)反應(yīng)工程包含了化工熱力學(xué)、物理化學(xué)、控制與優(yōu)化及化工傳遞過程等知識(shí)點(diǎn)，總體的知識(shí)領(lǐng)域較為廣泛，對(duì)于培養(yǎng)高職學(xué)生的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)素養(yǎng)，提升學(xué)生的化學(xué)分析能力是非常關(guān)鍵的，因此，在進(jìn)行高職“化學(xué)反應(yīng)工程”改革時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)工程為所有化工課程的核心，為化工專業(yè)的專業(yè)主干課程。

外國(guó)知名大學(xué)在化學(xué)反應(yīng)工程方面的研究及教學(xué)工作現(xiàn)對(duì)于國(guó)內(nèi)對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程的研究及教學(xué)是較為超前的，因此，在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)工程課程改革時(shí)，全面的剖析國(guó)外知名大學(xué)同類課程的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)提升化學(xué)反應(yīng)工程課程改革的創(chuàng)新性及有效性是非常必要的。在具體的實(shí)施過程中，高職院校化學(xué)反應(yīng)工程的教師可以首先通過互聯(lián)網(wǎng)搜索國(guó)外知名大學(xué)的校園網(wǎng)站，跟蹤了解國(guó)外知名大學(xué)在化學(xué)反應(yīng)工程方面發(fā)展趨勢(shì)，例如：劍橋大學(xué)、ARIZONA大學(xué)等國(guó)外知名大學(xué)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)工程的課程設(shè)置等情況。其次，在化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)中，可以借鑒國(guó)外知名大學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)資料，從而更好的開闊高職學(xué)生的眼界，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)工程課程的學(xué)習(xí)興趣。第三，如果經(jīng)濟(jì)等方面的條件允許，高職院校化學(xué)反應(yīng)工程課程的教師可以赴國(guó)外進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)工程課程的訪問與學(xué)習(xí)，親身體檢國(guó)外知名大學(xué)在化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)方面所做的工作，學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)模式，這對(duì)于更好的開展化學(xué)反應(yīng)工程改革有著重要的推動(dòng)作用。

2、闡明基本原理，聯(lián)系開發(fā)實(shí)例，教學(xué)內(nèi)容精益求精

2.1精選了化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)中基本原理的內(nèi)容

化學(xué)反應(yīng)工程的重點(diǎn)為將化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理闡明，將反應(yīng)工程的基本理論、概念及研究方法介紹給同學(xué)，因此，在進(jìn)行高職化學(xué)反應(yīng)工程的課程改革時(shí)，應(yīng)將化學(xué)動(dòng)力學(xué)、理想流動(dòng)反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器、化學(xué)反應(yīng)過程中質(zhì)量與熱量的傳遞，反應(yīng)器穩(wěn)定性及反應(yīng)選擇性作為化學(xué)反應(yīng)工程的課程的主要講解內(nèi)容，并按照濃度效應(yīng)與穩(wěn)定效應(yīng)展開相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)工程討論工作，力求確切闡述、清楚表達(dá)，為高職學(xué)生更好的學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)工程和化學(xué)反應(yīng)器相關(guān)的知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2更新了反應(yīng)工程課程教學(xué)中過程開發(fā)的案例分析

工業(yè)反應(yīng)器為化學(xué)反應(yīng)工程的主要研究對(duì)象之一，同時(shí)化學(xué)反應(yīng)工程中理論聯(lián)系實(shí)際的情況較多。很多高職教師在化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)的過程中往往承擔(dān)有與化學(xué)反應(yīng)工程課程相關(guān)的科研項(xiàng)目，因此，這就為化學(xué)反應(yīng)工程課程改革提供了較好的平臺(tái)，教師可以將科研成果作為化學(xué)反應(yīng)工程課程的具體案例進(jìn)行開發(fā)與分析，從而更好的提升整個(gè)化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)的精彩性，使之做到言之有物，更好的豐富整個(gè)化學(xué)反應(yīng)工程課程的內(nèi)涵，也能夠幫助學(xué)生更好的了解與學(xué)習(xí)到化學(xué)反應(yīng)工程在具體的開發(fā)過程中的作用與進(jìn)展。

2.3 增加了生化、材料、環(huán)境等反應(yīng)工程方面的內(nèi)容

現(xiàn)階段很多高職院校的化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)缺乏教學(xué)所需的學(xué)習(xí)氛圍，因此，在高職院校進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)工程的改革時(shí)，增加了與化學(xué)反應(yīng)工程相關(guān)的材料、生化及環(huán)境等方面的能夠有效的反應(yīng)出化學(xué)反應(yīng)工程前沿的內(nèi)容是有其必要性的。在具體實(shí)施時(shí)高職院校可以借此拓展課程內(nèi)容的內(nèi)涵，請(qǐng)學(xué)有專長(zhǎng)的專家學(xué)者介紹生化反應(yīng)工程、聚合反應(yīng)工程、電化學(xué)反應(yīng)工程、精細(xì)化學(xué)品反應(yīng)工程、環(huán)境反應(yīng)工程等新方向、新進(jìn)展，有效的實(shí)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)工程課程時(shí)思路與眼界的開闊。

3、講授研討結(jié)合，試行雙語教學(xué)，教學(xué)方法不斷改革

高職院校在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)工程課程改革時(shí)，應(yīng)重視教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的教學(xué)方式在一定程度上仍有一定的借鑒意義，因此，在進(jìn)行改革時(shí)還應(yīng)當(dāng)繼續(xù)堅(jiān)持傳統(tǒng)的教師講授的方式，在教師講授的同時(shí)，加入一定量針對(duì)性的討論式教學(xué)方法，組織學(xué)生針對(duì)性的對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程的某些重要的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行討論。在化學(xué)反應(yīng)工程課程具體講授的過程中，注意應(yīng)用歸納法、對(duì)比法及演繹法等方法，針對(duì)不同的化學(xué)反應(yīng)工程內(nèi)容，應(yīng)采用不同的教學(xué)方法，在提升化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)質(zhì)量方面應(yīng)下功夫，例如：在討論串聯(lián)反應(yīng)優(yōu)化問題上，引導(dǎo)學(xué)生精心制作了電子課件，并鼓勵(lì)學(xué)生上講臺(tái)講解，學(xué)生的積極性很高，既活躍了課堂氣氛，學(xué)生本身也覺得收獲很大。

其次，在化學(xué)反應(yīng)工程課程改革時(shí)加入一定量的雙語教學(xué)方式，能夠較好的提升化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)的質(zhì)量，擔(dān)任化學(xué)反應(yīng)工程雙語教學(xué)的教師一般均為博士學(xué)歷，具有較多的國(guó)內(nèi)外學(xué)習(xí)的經(jīng)歷，上課課件、板書全部采用英語書寫，考試試題與解答也全部采用英語表達(dá)。雙語教學(xué)試點(diǎn)吸引了一批具有較高外語水平的優(yōu)秀學(xué)生參與，而上課教師也將國(guó)外化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)思想與教學(xué)理念融入到課堂教學(xué)過程中，這對(duì)于提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性有著較大促進(jìn)作用。

4、結(jié)束語

在化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)改革的過程中，教師還應(yīng)當(dāng)充分的利用現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備，將教學(xué)的內(nèi)容通過現(xiàn)代化多媒體技術(shù)呈現(xiàn)出來，更好的提升化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)的生動(dòng)性、形象性，這對(duì)于提升高職學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣也是較為重要的。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王琳琳，陳小鵬，梁杰珍，劉幽燕，韋小杰.改革地方院校課程教學(xué)模式和內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生工程與創(chuàng)新能力――以廣西大學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)為例[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，08：10-14.

第2篇

    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、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

第3篇

由于攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)的流動(dòng)具有復(fù)雜性，目前對(duì)攪拌槽等混合設(shè)備的設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)成分也采用理論計(jì)算的方式，在化工領(lǐng)域中，化工工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器存在不均勻性等特點(diǎn)，不均勻性隨規(guī)模擴(kuò)大而加重，因此，對(duì)攪拌槽內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究是非常有必要的。雖然許多化學(xué)家對(duì)化工領(lǐng)域中的攪拌機(jī)槽內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了分析研究，如Harvey等人采用二維模擬計(jì)算攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的流體，但隨著技術(shù)的不斷改革與發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)的引進(jìn)，改變了以二維模擬的計(jì)算方式，計(jì)算流體力學(xué)的方法不僅可以節(jié)約化工研究成本，采用實(shí)驗(yàn)手段不能獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算流體力學(xué)方法也可以獲得。Sun等人利用計(jì)算流體力學(xué)中的湍流模型計(jì)算了攪拌槽內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)，并且對(duì)其進(jìn)行了三維模擬，通過實(shí)驗(yàn)研究表明，計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬能有效的計(jì)算攪拌器上部的氣體部分，但是，CFD數(shù)值模擬也存在一定的缺陷，不能有效模擬攪拌器底部區(qū)域。計(jì)算流體力學(xué)CFD與多普勒激光測(cè)速儀LDV有效結(jié)合，可以對(duì)攪拌裝置能更深入的研究，其主要原因是多普勒激光測(cè)速儀測(cè)量的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確驗(yàn)證計(jì)算流體力學(xué)CFD計(jì)算的結(jié)果，同時(shí)多普勒激光測(cè)速儀測(cè)定特定點(diǎn)的速度也可以作為計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算的參考條件。

2.CFD在化學(xué)工程換熱器中的應(yīng)用分析

換熱器是化學(xué)工程中使用最多的設(shè)備，通過計(jì)算流體力學(xué)的計(jì)算方式，不僅可以精確、詳細(xì)的測(cè)量換熱設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)，也可以預(yù)測(cè)換熱器的性能，經(jīng)濟(jì)可靠的換熱器對(duì)化工工業(yè)具有重要作用。對(duì)于化工中的管殼式換熱設(shè)備，其內(nèi)部的幾何形狀設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用計(jì)算流體力學(xué)模擬管殼式換熱設(shè)備的殼側(cè)流場(chǎng)，進(jìn)而充分了解管殼式換熱設(shè)備的殼側(cè)在瞬間變化中的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)，CFD的應(yīng)用有利于分析研究換熱器的基本原理和結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

3.CFD在化學(xué)反應(yīng)工程中的應(yīng)用研究

第4篇

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程 教學(xué)改革 工程概念 創(chuàng)新能力

化學(xué)反應(yīng)工程是關(guān)于工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程的科學(xué)，是化學(xué)工程學(xué)科的一個(gè)主要分支，屬于工程科學(xué)，其研究?jī)?nèi)容主要是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析。化學(xué)反應(yīng)工程課程與數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)等基礎(chǔ)課密切相關(guān)，也與熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和傳遞過程等存在著交叉關(guān)系，加之獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的基礎(chǔ)本身較弱，使得該課程的教學(xué)難度更大，普通的授課方式很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，必須采用科學(xué)、適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，因材施教，以提高教學(xué)質(zhì)量。本文圍繞獨(dú)立學(xué)院對(duì)化工類人才培養(yǎng)的要求，提出了化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)方法的選擇與應(yīng)用原則，探討了“互動(dòng)式、啟發(fā)式”教學(xué)方式，并與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)工程課程改革和教學(xué)方法創(chuàng)新。

一、堅(jiān)持“方法論”的教育理念與工程意識(shí)相結(jié)合的教學(xué)思想

化學(xué)反應(yīng)工程是一門綜合性非常強(qiáng)的課程，并且與工程實(shí)踐緊密相聯(lián)。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)大綱，要求學(xué)生在掌握基本原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)和難點(diǎn)則應(yīng)放在分析與解決實(shí)際問題的方法論上。在理論教學(xué)中，應(yīng)向?qū)W生介紹化學(xué)反應(yīng)工程中的基本原理和化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析的基本方法，同時(shí)也注重讓學(xué)生了解這些知識(shí)如何指導(dǎo)工程實(shí)際。在教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)“方法論”教學(xué)[1]，提倡采用“工程分析方法”，融入化學(xué)反應(yīng)工程的基本觀點(diǎn)和工程思維方法，培養(yǎng)學(xué)生分析工程問題的實(shí)際能力，運(yùn)用以“物質(zhì)的傳遞與轉(zhuǎn)化”、“能量的傳遞與轉(zhuǎn)化”和 “信息的傳遞與轉(zhuǎn)化”所組成的“三傳三轉(zhuǎn)”[2]的新模式進(jìn)行反應(yīng)器的優(yōu)化和放大，解決工程實(shí)踐問題。在教學(xué)過后中堅(jiān)持“方法論”的教育理念與工程意識(shí)相結(jié)合的教學(xué)思想。

二、教學(xué)方法的改革

教學(xué)是一門藝術(shù)，屬于雙向行為。教學(xué)的主體對(duì)象是學(xué)生，學(xué)生應(yīng)積極參與、發(fā)揮主體能動(dòng)性并將知識(shí)內(nèi)化為自身能力。作為引導(dǎo)者的教師應(yīng)以科學(xué)的方法論為指導(dǎo)，貫徹“少而精、重基礎(chǔ)”和“適用、夠用和會(huì)用”的教學(xué)原則，通過“預(yù)習(xí)一聽課一提問一討論”的教學(xué)模式[3]，采用啟發(fā)式、提問式、互動(dòng)式、討論式等教學(xué)方法，最大限度地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)，課堂上隨時(shí)觀察學(xué)生表情，注重彰顯學(xué)生的主體地位和個(gè)性發(fā)展。課后主動(dòng)了解學(xué)生聽課效果和學(xué)習(xí)難點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。對(duì)于學(xué)生普遍反映“課堂能聽懂，聽后難做題”等現(xiàn)象，適當(dāng)安排習(xí)題課。對(duì)學(xué)生作業(yè)中存在問題進(jìn)行重點(diǎn)講解，歸納解題思路和方法，鞏固學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)。師生通過教學(xué)過程的雙向互動(dòng)，達(dá)到“教”與“學(xué)”的最佳結(jié)合。

三、教學(xué)手段的改革

由于化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究對(duì)象內(nèi)在規(guī)律較復(fù)雜，一般使用數(shù)學(xué)模型方法或簡(jiǎn)化反應(yīng)過程，若采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)手段，學(xué)生很難想象，不好學(xué)。從而形成了“灌輸式”教學(xué)方式，讓學(xué)生感覺這門課程枯燥無味，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。為了適應(yīng)現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的需要，滿足教學(xué)手段改革的需求，通過多年的教學(xué)實(shí)踐總結(jié)，在化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)過程中，既要積極開發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)媒體，又要繼承傳統(tǒng)教學(xué)媒體中的合理成分。在教學(xué)過程中，采用集文字、實(shí)物照片、動(dòng)畫于一體的多媒體課件，利用動(dòng)畫效果把抽象概念形象化，動(dòng)態(tài)地展示設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作原理、物料流動(dòng)情況，使教學(xué)內(nèi)容更直觀、生動(dòng)，提高學(xué)生興趣，降低教學(xué)難度。與傳統(tǒng)的板書教學(xué)手段相比，多媒體教學(xué)手段的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)“動(dòng)態(tài)的問題形象化”，“微觀的問題宏觀化”，“抽象的問題具體化”，“表達(dá)方式的多樣化”，提高教學(xué)效果[4]。

四、考試制度的改革

考試不僅具有檢測(cè)教師教學(xué)水平和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的作用，更具有引導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí)的“無形指揮棒”作用[5]。考試制度的改革應(yīng)促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、方法和手段的改革。通過幾年的教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)傳統(tǒng)考試中所出現(xiàn)的種種問題，采用課內(nèi)考試和課外設(shè)計(jì)相結(jié)合等多種考核方式相結(jié)合的考試方案，不僅有效引導(dǎo)學(xué)生掌握課程的基本內(nèi)容，而且在課程教學(xué)中加強(qiáng)了實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本課程主要采用撰寫課程小論文、 開展小型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)型或操作型問題的訓(xùn)練與考核，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力、提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

五、課堂教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合

化學(xué)反應(yīng)工程是實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，首先，課堂教學(xué)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。注重從理論到實(shí)踐，再到理論的過程，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力[6]。在教學(xué)過程中我們充分認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)工程與化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一性，掌握好理論知識(shí)能指導(dǎo)實(shí)踐，而科學(xué)實(shí)踐能幫助我們更好地認(rèn)識(shí)、理解、掌握理論知識(shí)，將感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)后，再運(yùn)用到實(shí)踐中去。其次，在教學(xué)過程中與化工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合。該課程主要以工業(yè)反應(yīng)過程及反應(yīng)器設(shè)備為研究對(duì)象，以達(dá)到反應(yīng)器的開發(fā)、設(shè)計(jì)和放大以及優(yōu)化操作的目的。因此，安排學(xué)生到相應(yīng)企業(yè)實(shí)習(xí)是非常有必要的。近幾年，我們已建立了多家化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地，安排學(xué)生進(jìn)廠實(shí)習(xí)，了解化工生產(chǎn)中所用到的各類反應(yīng)器及輔助設(shè)備等，了解主要裝置的工藝流程及操作，使學(xué)生對(duì)各類反應(yīng)過程及所涉及的設(shè)備有了感性認(rèn)識(shí)，更容易接受理論教學(xué)，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。

六、課堂教學(xué)與仿真教學(xué)相結(jié)合

仿真教學(xué)是理論和實(shí)踐間的橋梁，實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)與創(chuàng)造能力的有機(jī)結(jié)合，既是實(shí)踐教學(xué)手段，也是實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容[7]。仿真技術(shù)在工程實(shí)踐教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和手段，對(duì)于學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合起到了重要作用。我們通過化工生產(chǎn)中具有代表性的大型合成氨裝置的過程模擬，將化工單元操作、化學(xué)反應(yīng)、過程控制、能源綜合利用等現(xiàn)代化工過程進(jìn)行整合模擬訓(xùn)練，為拓展學(xué)生的思維空間，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，提供了良好的教學(xué)環(huán)境。

七、結(jié)語

化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程，理論抽象，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)。采用多種教學(xué)方法相結(jié)合，傳統(tǒng)教學(xué)手段和多媒體教學(xué)手段相結(jié)合的方式，充分提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性與學(xué)習(xí)效率。將理論教學(xué)與仿真教學(xué)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高了分析、解決工程問題的能力。結(jié)合時(shí)展需求，積極更新教育觀念，培養(yǎng)滿足化學(xué)工業(yè)發(fā)展所需的應(yīng)用型人才。

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第5篇

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程；研究方法；教學(xué)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0568（2012）29-0078-02

化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程，以化學(xué)反應(yīng)過程的共性規(guī)律、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大和優(yōu)化為主要研究對(duì)象，用自然科學(xué)的原理考察、解釋和處理工程實(shí)際問題，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程學(xué)科。面向本科生的化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)的目標(biāo)，是使學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)工程的研究方法和思路，了解化學(xué)反應(yīng)工程最新進(jìn)展和發(fā)展方向，提高創(chuàng)新思維能力。[1]筆者在長(zhǎng)期的教學(xué)中將“方法論”作為重點(diǎn)，不斷總結(jié)教材各章節(jié)、研究各類反應(yīng)過程的共同方法，并應(yīng)用于教學(xué)，對(duì)學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)工程的基本觀點(diǎn)和工程方法，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決工程問題的實(shí)際能力起到了很好的作用。

一、數(shù)學(xué)模型方法

工業(yè)反應(yīng)器中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過程往往與物料的流動(dòng)、混合、傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)計(jì)量學(xué)、催化劑性能等有直接關(guān)系，濃度、溫度、壓力等參數(shù)影響反應(yīng)結(jié)果，影響因素多，相互耦合，通常表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性，傳統(tǒng)的因次分析和相似方法不能反映化學(xué)反應(yīng)工程的基本規(guī)律。[2]教學(xué)中，把反應(yīng)器中進(jìn)行的過程分解為化學(xué)反應(yīng)過程和物理傳遞過程，反應(yīng)器中進(jìn)行的過程分解為化學(xué)反應(yīng)過程和物理傳遞過程，分別建立反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和反應(yīng)器傳遞模型，然后通過物料衡算和能量衡算把它們綜合起來，建立反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)模型方法來研究化學(xué)反應(yīng)工程，進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)、放大與優(yōu)化，比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法能更好地反映其本質(zhì)。因此，數(shù)學(xué)模型方法是化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法，可以通過數(shù)學(xué)模型的建立和求解去預(yù)測(cè)和模擬反應(yīng)器的實(shí)際操作狀況。[3]在闡明化學(xué)反應(yīng)工程基本概念和原理的基礎(chǔ)上，將各類反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型作為講授重點(diǎn)，尤其突出間歇反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器、全混流反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的建立和求解方法，借此培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)模型方法設(shè)計(jì)反應(yīng)器的能力。

二、物料、能量衡算中非線性問題的線性化處理方法

反應(yīng)速率一般是由反應(yīng)實(shí)際進(jìn)行場(chǎng)所的濃度和溫度決定。而工業(yè)上廣泛使用的氣固相催化反應(yīng)器、流固相非催化反應(yīng)器，氣液反應(yīng)器中物料溫度和濃度的變化呈現(xiàn)非線性特點(diǎn)。處理的共同方法為反應(yīng)器設(shè)計(jì)中物料衡算、能量衡算時(shí)，衡算范圍取一個(gè)微元，在微元內(nèi)物料溫度和濃度的變化近似按線性關(guān)系計(jì)算。在氣固相催化反應(yīng)工程討論中、以單顆粒的球形催化劑為基礎(chǔ)，在其中距中心R處取一厚度dR的微元球殼進(jìn)行物料衡算、能量衡算；在氣液反應(yīng)工程討論中、以雙膜理論為基礎(chǔ)，在液膜中距界面x處取一厚度dx的單位面積微元液膜進(jìn)行物料衡算；在流固相非催化反應(yīng)工程討論中，以收縮未反應(yīng)芯模型為基礎(chǔ)，對(duì)單個(gè)球形固體顆粒，在其固相產(chǎn)物層內(nèi)距中心R處取一厚度dR的微元球殼進(jìn)行物料衡算；平推流反應(yīng)器、非理想流動(dòng)反應(yīng)器軸向混合模型的計(jì)算中，在距反應(yīng)器進(jìn)口L處取一厚度dL的微元管段進(jìn)行物料衡算、能量衡算。這些問題的研究方法有相似性，在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)相互的聯(lián)系，可以加深學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解和對(duì)反應(yīng)器設(shè)計(jì)中線性化處理非線性問題方法的掌握。

三、解決復(fù)雜問題時(shí)先分解后綜合的方法

影響工業(yè)反應(yīng)過程的因素多，關(guān)系復(fù)雜，若直接全面分析求解，往往比較困難，不容易理解。在教學(xué)中可采用先分解后綜合的方法，把復(fù)雜的問題分成若干步、先研究每一步的規(guī)律，再綜合得出整體的規(guī)律。氣固相催化反應(yīng)工程討論中，先分外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)過程分別討論三個(gè)過程的規(guī)律和計(jì)算公式，再綜合三個(gè)過程得出單個(gè)催化劑顆粒的反應(yīng)規(guī)律，再進(jìn)一步綜合得出整個(gè)床層的反應(yīng)規(guī)律；氣液反應(yīng)工程討論中，先分氣液兩相間的傳遞規(guī)律、液膜中的擴(kuò)散反應(yīng)規(guī)律，液相主體中的擴(kuò)散反應(yīng)規(guī)律，再綜合得出整個(gè)氣液相反應(yīng)規(guī)律；流固相非催化反應(yīng)工程討論中，先分流體滯流膜擴(kuò)散控制、固體產(chǎn)物層（或惰性殘留物層）內(nèi)擴(kuò)散控制、化學(xué)反應(yīng)控制分別討論，再綜合得出總體的規(guī)律和計(jì)算公式；討論吸附動(dòng)力學(xué)方程中，先按單組分反應(yīng)物的化學(xué)吸附控制、表面化學(xué)反應(yīng)控制、單組分產(chǎn)物的脫附控制分別討論，再綜合得出總體的吸附動(dòng)力學(xué)方程。這樣的教學(xué)方法，往往能使復(fù)雜的問題變得簡(jiǎn)單明了，復(fù)雜的計(jì)算過程得到簡(jiǎn)化。

四、理論推演與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法

化學(xué)反應(yīng)工程自設(shè)立以來，作為一門工程學(xué)科，其復(fù)雜性往往不僅表現(xiàn)在過程本身，而更表現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)器復(fù)雜的幾何形狀及千變?nèi)f化的物性，[4]因此，廣泛采用理論推演和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法。通過理論推演得出軸向混合模型、多級(jí)串聯(lián)全混流模型等非理想流動(dòng)模型，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)際反應(yīng)器停留時(shí)間分布、計(jì)算出無因次時(shí)間方差、選擇合適的非理想流動(dòng)模型，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出模型參數(shù)，進(jìn)行實(shí)際反應(yīng)器的設(shè)計(jì)；氣固相催化反應(yīng)內(nèi)擴(kuò)散影響的判別中，通過理論推演得出判據(jù)式，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定判據(jù)式的值，可判斷出內(nèi)擴(kuò)散的影響程度；流固相非催化反應(yīng)中通過理論推演得出不同過程控制時(shí)的計(jì)算公式，通過溫度對(duì)總體速率的影響實(shí)驗(yàn)，可判別過程是化學(xué)反應(yīng)控制還是擴(kuò)散控制，通過流速對(duì)總體速率的影響實(shí)驗(yàn)，可判別過程是流體滯流膜擴(kuò)散控制還是固相產(chǎn)物層內(nèi)擴(kuò)散控制，然后選擇相應(yīng)過程控制的公式，能使計(jì)算過程大為簡(jiǎn)化。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的建立更需要理論推演與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，雖然可以通過理論計(jì)算確定化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和速率，但對(duì)大多數(shù)反應(yīng)體系，這類理論計(jì)算所能達(dá)到的準(zhǔn)確程度尚不能滿足工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)的要求，實(shí)驗(yàn)研究仍然是認(rèn)識(shí)反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)特征的主要途徑。化學(xué)反應(yīng)工程在其發(fā)展過程中已形成了一整套動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定和數(shù)據(jù)處理方法。[3]教學(xué)中，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)利用冪函數(shù)型模型，雙曲線型模型擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)，使學(xué)生較好地理解和掌握反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的建立方法。

工科院校培養(yǎng)的工程技術(shù)人才，不僅要有豐富的理論知識(shí)，理論還應(yīng)當(dāng)聯(lián)系實(shí)際，具有較高的獨(dú)立思考能力、發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)際生產(chǎn)問題的能力，這就要求教師不僅要對(duì)學(xué)生傳授知識(shí)，更重要地是教給學(xué)生求索知識(shí)的方法和應(yīng)用知識(shí)的能力。[5]長(zhǎng)期的教學(xué)中，筆者體會(huì)到數(shù)學(xué)模型方法，物料、能量衡算中非線性問題的線性化處理方法、解決復(fù)雜問題時(shí)先分解后綜合的方法、理論推演與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，并在化學(xué)反應(yīng)工程研究中普遍應(yīng)用，將這些方法重點(diǎn)介紹給學(xué)生，使他們?cè)趯W(xué)習(xí)中觸類旁通，舉一反三，取得了良好的學(xué)習(xí)效果。

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第6篇

在我們以前普通的化學(xué)反應(yīng)來看，對(duì)于反應(yīng)后的副產(chǎn)物的處理是相當(dāng)困難的，并且如果想處理，其治理成本是相當(dāng)?shù)母撸砸郧澳欠N普通的反應(yīng)無法從根本上剔除化學(xué)工業(yè)中所帶來的一系列危害。而我們所提到的綠色化學(xué)工程，就從根本上解決了上述問題。

1.1選擇有益材料對(duì)于化學(xué)反應(yīng)來說，最重要的還是選料的環(huán)節(jié)，它的好與壞直接影響著化學(xué)反應(yīng)是否友好是否有益。有效的防范，以達(dá)到在過程以及結(jié)果的一種良性局面。

1.2采用高效高選擇性的反應(yīng)原料對(duì)于化學(xué)工業(yè)來說，化學(xué)反應(yīng)是決定化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程中生產(chǎn)成本和生產(chǎn)難度、充分利用化學(xué)資源等各方面的重要性因素。可以降低工業(yè)生產(chǎn)的成本，而且能夠提高產(chǎn)物純度，減少無效反應(yīng)產(chǎn)物的排放，節(jié)約化學(xué)資源，在化學(xué)工業(yè)中，有機(jī)物的反應(yīng)復(fù)雜，研究機(jī)制不確定，所以選擇合適的反應(yīng)原料，不斷提高工業(yè)技術(shù)是對(duì)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

1.3使用綠色無公害的反應(yīng)催化劑催化劑作為化學(xué)反應(yīng)中能改變反應(yīng)速率的的物質(zhì)，在化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用廣泛，綠色化學(xué)就是研究生產(chǎn)高效高質(zhì)量的化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，無效產(chǎn)物可以做到循環(huán)利用，無公害。這項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)就是高度依賴化學(xué)反應(yīng)過程中的催化劑，不斷創(chuàng)新，不斷推動(dòng)綠色化學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)著手研究這些優(yōu)良的催化劑.

2尋找高效綠色的化學(xué)催化劑對(duì)提升工業(yè)生產(chǎn)水平的作用

2.1化學(xué)工業(yè)中綠色化學(xué)的應(yīng)用綠色化學(xué)的核心就是要利用化學(xué)原理從源頭消除污染，做到完全無公害無污染，因此它又被稱為清潔化學(xué)，應(yīng)用范圍廣泛，它涉及有機(jī)合成、催化、生物化學(xué)、分析化學(xué)等學(xué)科。工業(yè)中化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的條件一般都是高溫高壓，在反應(yīng)過程中，只有適宜的溫度和壓力才能使用現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的技術(shù)，另外加上綠色化學(xué)的高效催化劑，這項(xiàng)工程才得以不斷發(fā)展。例如上文提到的低維材料碳納米管，催化裂解反應(yīng)中有很大的化學(xué)功效。

2.2化學(xué)工業(yè)中綠色化學(xué)和現(xiàn)代生物結(jié)合的應(yīng)用。講到了催化劑，這就涉及到另外的技術(shù)性學(xué)科生物技術(shù)。生物技術(shù)的就是高科技與高端專業(yè)知識(shí)結(jié)合的產(chǎn)物，學(xué)科內(nèi)又分為細(xì)胞工程、基因工程、胚胎工程等等。在化學(xué)產(chǎn)業(yè)中主要應(yīng)用于生物化學(xué)。在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程中，選取有機(jī)的生物材料，主要是動(dòng)植物的原料，另外也會(huì)采用他們經(jīng)過上千年演變的產(chǎn)物—地下的煤炭等。催化劑主要由人工催化劑和自然催化劑，分別由人工合成以及采用天然動(dòng)植物的生物酶。這樣能夠滿足現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)發(fā)展的需要，同時(shí)也能切合可持續(xù)發(fā)展的指導(dǎo)思想，節(jié)約能源，維持現(xiàn)在生態(tài)平衡的狀態(tài)，推動(dòng)化學(xué)工業(yè)發(fā)展。

3結(jié)語

第7篇

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程；教學(xué)；計(jì)算機(jī)

引言

化學(xué)反應(yīng)工程[1]是是教育部確定的化工類專業(yè)的主干課程之一，是以無機(jī)化工、有機(jī)化工、煤化工和石油化工生產(chǎn)過程中的化學(xué)加工過程為背景，按化學(xué)反應(yīng)與動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞相互作用的共性歸納綜合的宏觀反應(yīng)過程；是將化學(xué)反應(yīng)原理與化工反應(yīng)設(shè)備相結(jié)合的一門學(xué)科。化學(xué)反應(yīng)工程既是一門專業(yè)課，同時(shí)，也是一門具有普遍指導(dǎo)意義的基礎(chǔ)性工程學(xué)科，它和工程實(shí)際密切相關(guān)，具有很強(qiáng)的理論性和應(yīng)用性。該課程主要涵蓋反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析兩個(gè)方面的內(nèi)容。其中，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的測(cè)定需要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、擬合，這些過程均需要進(jìn)行大量的計(jì)算；在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算中，在確定數(shù)學(xué)模型時(shí)，涉及到微積分、數(shù)值計(jì)算等過程，計(jì)算繁瑣[2-3]。如能在教學(xué)過程中合理的應(yīng)用計(jì)算機(jī)，將繁瑣的計(jì)算過程簡(jiǎn)單化，并能將計(jì)算結(jié)果以圖示和表格的形式呈現(xiàn)出來，將會(huì)使這類問題迎刃而解。

1在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)的必要性

在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用過程中，計(jì)算機(jī)軟件起著非常重要的作用。計(jì)算機(jī)軟件是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)重要的方面。化學(xué)反應(yīng)工程課程中計(jì)算及數(shù)據(jù)處理占據(jù)比重較大，在學(xué)習(xí)過程中，涉及到微積分計(jì)算、常微分方程求解、迭代運(yùn)算等內(nèi)容，需要學(xué)生分配大量的時(shí)間做相關(guān)的計(jì)算，這往往使得學(xué)生過分關(guān)注計(jì)算過程而忽略了反應(yīng)器設(shè)計(jì)及分析的核心內(nèi)容[4,5]。要發(fā)揮計(jì)算機(jī)在教學(xué)中的輔助功能，軟件是一個(gè)核心因素。常用的軟件除日常教學(xué)中熟知的PowerPoint、Word及多媒體播放工具等，具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的軟件在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中更能發(fā)揮其優(yōu)越性[6]。本文將以Excel和Origin兩類軟件為例來闡述計(jì)算機(jī)在反應(yīng)工程教學(xué)中發(fā)揮的作用，將該課程的理論知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合起來，鍛煉教師在教學(xué)過程中應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件的能力，巧妙的利用這兩類軟件調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性并解決相關(guān)實(shí)際問題[7]。

2計(jì)算機(jī)在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

化學(xué)反應(yīng)工程的主要研究對(duì)象是工業(yè)反應(yīng)器，即如何使化學(xué)反應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)中有效地實(shí)現(xiàn)。這一過程的實(shí)現(xiàn)需要多方面的知識(shí)，其中化學(xué)動(dòng)力學(xué)是所需的基礎(chǔ)知識(shí)之一[1]。2.1動(dòng)力學(xué)方程本文以程序升溫條件下神華煤的水蒸汽氣化反應(yīng)為例，進(jìn)行氣化產(chǎn)物的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，將Excel和Origin兩類軟件應(yīng)用在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)這一章節(jié)的教學(xué)過程中。反應(yīng)工程課程教學(xué)過程中，有這樣的結(jié)論：由阿倫尼烏斯方程對(duì)數(shù)式（式（1））可知，lnk對(duì)1/T為線性關(guān)系，此關(guān)系只適用于一定的溫度范圍，不能外推。雖大多數(shù)情況下，阿倫尼烏斯方程均能表示反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系，但某些情形下，lnk與1/T不成線性關(guān)系[1]。在教學(xué)過程中，直接得出此結(jié)論，學(xué)生沒有深刻的認(rèn)知，如舉實(shí)例證明此結(jié)論，教學(xué)效果將更佳。2.2求解過程記錄實(shí)驗(yàn)過程中神華煤程序升溫條件下水蒸汽氣化反應(yīng)生成氣體H2的濃度隨溫度變化的值，將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Excel表格中。實(shí)驗(yàn)條件如下：反應(yīng)溫度范圍500-850℃，升溫速率2℃/min，每五分鐘記錄一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將記錄的H2濃度值用Excel的公式功能換算成H2的生成摩爾量并進(jìn)一步計(jì)算出各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的累積生成摩爾量。選取溫度范圍為610-730℃的點(diǎn)繪制曲線，并用Origin的線性擬合功能進(jìn)行線性擬合（圖3），線性擬合結(jié)果截圖如圖4所示，擬合后直線斜率可視為-E/R，截距為ln(A/)，線性擬合的相關(guān)度R2=0.993，線性度較好，說明所選取的動(dòng)力學(xué)模型較符合神華煤的氣化反應(yīng)特性。根據(jù)圖4數(shù)據(jù)計(jì)算可得神華煤在該程序升溫水蒸氣氣化過程中生成氣H2的活化能E值為150.2KJ/mol，指前因子A為7.62³105，計(jì)算結(jié)果如表1所示。該數(shù)據(jù)可為反應(yīng)器的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過以上計(jì)算及作圖過程可知，應(yīng)用Excel和Origin兩類軟件可將繁瑣的計(jì)算過程簡(jiǎn)單化，并能將計(jì)算結(jié)果以圖示和表格的形式呈現(xiàn)出來，較傳統(tǒng)的教學(xué)過程更加靈活、更形象化，有助于學(xué)生理解和掌握反應(yīng)工程課程學(xué)習(xí)中的知識(shí)點(diǎn)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使教學(xué)效果更佳[8]。

3結(jié)論

化學(xué)反應(yīng)工程既是一門專業(yè)課，同時(shí)，也是一門具有普遍指導(dǎo)意義的基礎(chǔ)性工程學(xué)科，它和工程實(shí)際密切相關(guān)，具有很強(qiáng)的理論性和應(yīng)用性。利用計(jì)算機(jī)軟件龐大的數(shù)據(jù)處理功能進(jìn)行輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生更加直觀、便捷的掌握教學(xué)內(nèi)容，得到全面的技能操作實(shí)踐，并獲取完善的知識(shí)體系和完備的綜合能力。Excel和Origin兩類軟件是綜合性較強(qiáng)的軟件，操作便捷，結(jié)果可靠，是解決反應(yīng)工程實(shí)際問題的有力工具，在教學(xué)過程中，合理有效的利用計(jì)算機(jī)軟件不僅可以將復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)化，加深學(xué)生對(duì)反應(yīng)工程中涉及的知識(shí)點(diǎn)的理解，而且能夠提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使得學(xué)科之間能夠融會(huì)貫通。另外，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決反應(yīng)工程中的實(shí)際問題也是化工行業(yè)對(duì)于該專業(yè)人才的基本要求。因此，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]李紹芬.反應(yīng)工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[2]吳現(xiàn)力,王菊,杜春華,等.化工輔助軟件在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2016,5(18):176-177.

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[5]吳現(xiàn)力,王菊,杜春華,等.Excel軟件在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2016,5(21):264-265.

第8篇

關(guān)鍵詞：燃料；燃燒；教學(xué)內(nèi)容；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）40-0113-02

在當(dāng)今全球節(jié)能減排要求日益嚴(yán)格的背景下，國(guó)內(nèi)外燃料、燃燒理論及燃燒應(yīng)用技術(shù)發(fā)展很快，“燃料與燃燒”作為我校本科熱能與動(dòng)力工程專業(yè)方向的骨干基礎(chǔ)課，其教學(xué)效果對(duì)學(xué)生后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)和未來工作均有重要影響。

“燃料與燃燒”課程教學(xué)內(nèi)容涉及眾多專業(yè)，知識(shí)結(jié)構(gòu)比較繁雜。基于我校培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才的目標(biāo)，在制定新版教學(xué)大綱時(shí)，廣泛征集了用人單位、兄弟院校、教師和校友的意見，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了“燃料與燃燒”課程的教學(xué)內(nèi)容，考慮到燃燒理論是所有熱機(jī)的基礎(chǔ)，增加了燃燒基本理論方面的內(nèi)容，尤其是與內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和鍋爐相關(guān)的理論。

一、“燃料與燃燒”課程教學(xué)內(nèi)容

1.燃料。本模塊主要包含：固體燃料、液體燃料、氣體燃料的來源、種類、組成；燃料性質(zhì)、物性參數(shù)的定義和表示方法等教學(xué)內(nèi)容。

2.燃燒過程的物質(zhì)平衡與熱平衡。本模塊主要包含：燃料的熱值、過量空氣系數(shù)、當(dāng)量比；完全燃燒所需的空氣量及燃燒產(chǎn)物組分的計(jì)算、不完全燃燒產(chǎn)生的煙氣量、不完全燃燒方程式；完全燃燒與不完全燃燒時(shí)燃燒溫度、實(shí)際燃燒溫度、提高理論燃燒溫度的途徑等教學(xué)內(nèi)容。

3.化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。本模塊主要包含：化學(xué)反應(yīng)速度、基元反應(yīng)、質(zhì)量作用定律、反應(yīng)分子數(shù)與反應(yīng)級(jí)數(shù)、反應(yīng)級(jí)數(shù)的確定方法；化學(xué)反應(yīng)速率及其影響因素、各種級(jí)的單步化學(xué)反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)、競(jìng)爭(zhēng)性反應(yīng)、逆反應(yīng)、鏈鎖反應(yīng)、鏈分枝爆炸、爆炸極限等教學(xué)內(nèi)容。

4.燃燒系統(tǒng)守恒方程。本模塊主要包括：分子傳輸方程；基本守恒方程；流動(dòng)邊界與熱邊界層等教學(xué)內(nèi)容。

5.著火和燃燒界限。本模塊主要包含：燃燒現(xiàn)象的分類；著火爆炸與熄火現(xiàn)象為化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的燃燒問題；自燃與引燃、引燃成功條件，各種參數(shù)對(duì)著火的影響；熱球點(diǎn)火與火花點(diǎn)火問題；燃燒界限的影響因素；等等教學(xué)內(nèi)容。

6.預(yù)混氣的燃燒。本模塊主要包括：爆震波和緩燃波、雨果尼奧曲線及性質(zhì)、雨果尼奧曲線上熵的變化、爆震波后已燃?xì)獾乃俣扰c當(dāng)?shù)芈曀俚谋容^、爆震波的結(jié)構(gòu)等教學(xué)內(nèi)容。

7.層流預(yù)混火焰。本模塊教學(xué)內(nèi)容包括：熱理論、化學(xué)和物理參數(shù)對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽⒒鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊臏y(cè)量方法、火焰在層流氣流中駐定的原理、火焰淬熄等教學(xué)內(nèi)容。

8.層流擴(kuò)散燃燒。本模塊教學(xué)內(nèi)容包括：層流擴(kuò)散火焰的伯克和舒曼理論、燃料射流的唯象分析和層流擴(kuò)散火焰射流等教學(xué)內(nèi)容。

9.氣體湍流燃燒。本模塊教學(xué)內(nèi)容包括：湍流火焰的唯象方法、湍流模型、非預(yù)混反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)湍流和預(yù)混反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)湍流等教學(xué)內(nèi)容。

10.液體燃料的擴(kuò)散燃燒。本模塊主要包含：斯蒂芬流、單油滴的蒸發(fā)及質(zhì)量燃燒速度、液滴壽命的計(jì)算；氣流中的燃料液滴；在靜止介質(zhì)中液滴的超臨界燃燒、內(nèi)部回流對(duì)液滴蒸發(fā)速率的影響；火焰的位置、燃料蒸汽、氧氣、產(chǎn)物及溫度的分布、噴霧燃燒的概念；噴霧貫穿距離、噴霧角和顆粒平均直徑；等等教學(xué)內(nèi)容。

11.固體燃料的燃燒。本模塊主要包括：固體燃料的燃燒過程、固體碳粒的燃燒、碳粒燃燒的化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散與動(dòng)力控制的碳粒表面燃燒等教學(xué)內(nèi)容。

12.燃燒污染與防治。本模塊主要包括：NOx的生成與防治、SOx的生成與防治、煙塵的生成與防治等教學(xué)內(nèi)容。

13.船舶動(dòng)力裝置的燃燒。本模塊主要包括：船舶柴油機(jī)的燃燒技術(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒技術(shù)和船舶鍋爐的燃燒技術(shù)。

二、“燃料與燃燒”教學(xué)設(shè)計(jì)

“燃料與燃燒”課程教學(xué)目的是使學(xué)生掌握燃料特性和燃燒基本理論，具備利用理論知識(shí)分析和研究燃燒現(xiàn)象和燃燒裝置的能力。教學(xué)過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1.夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)。“燃料與燃燒”是研究燃燒規(guī)律的一門課程，它以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)和其他基礎(chǔ)課的知識(shí)基礎(chǔ)為支撐，課程中有很多非常基礎(chǔ)的知識(shí)點(diǎn)，后續(xù)燃燒理論、燃燒模型都是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在課堂教學(xué)中應(yīng)特別注意這些知識(shí)點(diǎn)，要講全講透，才有可能有良好的教學(xué)效果。

2.注重知識(shí)綜合運(yùn)用。“燃料與燃燒”課程是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，教學(xué)內(nèi)容直接應(yīng)用到后續(xù)各專業(yè)方向的骨干課程中，如“內(nèi)燃機(jī)原理”、“燃機(jī)原理”、“鍋爐原理”和“內(nèi)燃機(jī)排放與污染控制”等一系列課程。在課程教學(xué)中，應(yīng)突出“燃料與燃燒”課程的特色內(nèi)容，同時(shí)兼顧相關(guān)課程和相應(yīng)的交叉課程，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

3.增強(qiáng)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性。注重與前續(xù)基礎(chǔ)課程、后續(xù)專業(yè)課程間的銜接，但又要避免課程內(nèi)容的交叉重復(fù)。根據(jù)教學(xué)目的和檢測(cè)要求，不斷優(yōu)化熱能與動(dòng)力工程專業(yè)方向的課程體系教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)課程體系的系統(tǒng)性和完整性。

三、“燃料與燃燒”課程教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)及相應(yīng)解決措施

第9篇

 化學(xué)反應(yīng)器根據(jù)其反應(yīng)體系相態(tài)的不同，可以分為均相和多相兩大類，與均相反應(yīng)過程相比，在多相反應(yīng)器中各相之間往往存在著傳遞過程，包括熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，傳遞過程的存在對(duì)多相反應(yīng)過程的結(jié)果必然產(chǎn)生與均相反應(yīng)過程不同的影響。例如在氣固相催化反應(yīng)工程中，氣固相之間存在反應(yīng)物與產(chǎn)物之間的質(zhì)量傳遞，并進(jìn)而發(fā)生熱量傳遞，當(dāng)反應(yīng)過程較快而外擴(kuò)散過程較慢時(shí)，過程表現(xiàn)為外擴(kuò)散控制，無論本征反應(yīng)速率如何，表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)總為一級(jí)，表觀活化能總為外擴(kuò)散過程活化能;又如在氣液相反應(yīng)過程中，氣相與液相之間也存在著反應(yīng)物及反應(yīng)產(chǎn)物之間的質(zhì)量傳遞，質(zhì)量傳遞過程的存在也必然影響到反應(yīng)速率，尤其是反應(yīng)速率較快時(shí)更是如此。   

 雖然兩類反應(yīng)器之間存在著一定的差別，但均相反應(yīng)工程無疑是多相反應(yīng)工程的基礎(chǔ)，多相反應(yīng)工程所涉及的各相中所發(fā)生的過程可認(rèn)為與均相反應(yīng)過程無異。因此，在均相反應(yīng)工程中所建立的許多重要概念、理論和方法，完全可以原封不動(dòng)地應(yīng)用到多相反應(yīng)器理論的討論中去，如在均相反應(yīng)器模擬時(shí)建立的軸向擴(kuò)散概念，在建立多相反應(yīng)器模型時(shí)便可以完整地移植過來;又如平推流和全混流概念，兩類反應(yīng)器中都有著極廣的應(yīng)用。

   因此，主要針對(duì)“均相反應(yīng)器”開發(fā)過程以圖形形式顯示其內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)(圖3)，以使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程后能在頭腦中形成化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的完整印象，從而更好地將其應(yīng)用于實(shí)際反應(yīng)器的開發(fā)過程中。

  

  由圖3可知，即使是均相反應(yīng)器，相互之間也存在著很大的區(qū)別，因此，第一步是必須要對(duì)它們進(jìn)行分類，可見分類的方法是本學(xué)科建立的基本方法。通過分類，人們更清楚地認(rèn)識(shí)到各反應(yīng)器之間的異同點(diǎn)，如均相反應(yīng)器按幾何形狀劃分可分為管式、塔式和釜式反應(yīng)器三類;按換熱方式可分為絕熱、等溫和變溫反應(yīng)器三類;按操作方式可分為間歇、半間歇和連續(xù)反應(yīng)器三類;而按混合方式又可分為平推流、全混流和非理想流動(dòng)反應(yīng)器三類。根據(jù)反應(yīng)器不同的特征對(duì)其進(jìn)行劃分，所產(chǎn)生的結(jié)果可能不同，但由此而獲得一個(gè)極為重要的工程概念，即反應(yīng)器型式。反應(yīng)器型式在反應(yīng)器設(shè)計(jì)優(yōu)化中屬于三大決策亦量之一，十分重要，在反應(yīng)器設(shè)計(jì)中的第一步即是根據(jù)反應(yīng)過程的特點(diǎn)確定反應(yīng)器型式。   

 由圖3還可以看出，針對(duì)化學(xué)反應(yīng)器的開發(fā)，一般采取兩種方法，一是數(shù)學(xué)模型法，二是經(jīng)驗(yàn)放大法。在化學(xué)反應(yīng)工程課程中主要講解的是數(shù)學(xué)模型法，其基本思路是，應(yīng)用分解的方法將實(shí)際反應(yīng)器分解為兩部分，即過程和反應(yīng)設(shè)備。過程包括化學(xué)反應(yīng)過程和傳遞過程，由于反應(yīng)過程規(guī)律和傳遞過程規(guī)律相互獨(dú)立，故對(duì)其規(guī)律可分別進(jìn)行研究。而反應(yīng)設(shè)備則主要包含反應(yīng)器型式和幾何因索兩大類。   

 為研究化學(xué)反應(yīng)過程規(guī)律，必須要消除掉傳遞過程的影響，由于化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和設(shè)備大小無關(guān)，故化學(xué)反應(yīng)規(guī)律可在微型(或臺(tái)式)反應(yīng)器中進(jìn)行。這一點(diǎn)非常重要，如化學(xué)反應(yīng)規(guī)律在微型反應(yīng)器中進(jìn)行研究，則不僅節(jié)省了大量的資金，更重要的是在微型設(shè)備中易保持純化學(xué)因索的影響，獲得的反應(yīng)性質(zhì)、規(guī)律可以應(yīng)用到不同規(guī)模的任何反應(yīng)器中。化學(xué)反應(yīng)過程的性質(zhì)一般包括化學(xué)計(jì)量性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)平衡性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。  

  化學(xué)反應(yīng)計(jì)量性質(zhì)是反應(yīng)平衡性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)，對(duì)平衡性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的研究都是基于反應(yīng)計(jì)量性質(zhì)明確的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計(jì)量性質(zhì)主要包括反應(yīng)系統(tǒng)中各組分之間的定量關(guān)系，及系統(tǒng)中獨(dú)立的反應(yīng)數(shù)。  

  反應(yīng)平衡性質(zhì)主要包括反應(yīng)熱效應(yīng)和反應(yīng)極限的計(jì)算，尤其是反應(yīng)平衡常數(shù)及平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算。對(duì)可逆放熱反應(yīng)而言，平衡性質(zhì)對(duì)過程的影響較為復(fù)雜，溫度的升高對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率往往是有利的，但對(duì)平衡而言，平衡常數(shù)隨溫度的升高而降低，所以溫度對(duì)平衡性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的影響呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，從而引起問題的復(fù)雜化。通常對(duì)可逆放熱反應(yīng)存在著最佳溫度，且最佳溫度隨組分轉(zhuǎn)化率的不同而不同，因此，在整個(gè)反應(yīng)過程中，存在一最佳溫度曲線，反應(yīng)沿著最佳溫度曲線進(jìn)行，在轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，可以使用較少的催化劑。同時(shí)還須認(rèn)識(shí)到，在反應(yīng)后期，即較高轉(zhuǎn)化率接近化學(xué)平衡時(shí)，反應(yīng)過程往往是由平衡因索控制的。   

 化學(xué)反應(yīng)工程研究的主要內(nèi)容是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性是化學(xué)反應(yīng)器選型、操作方式和操作條件確定及反應(yīng)過程優(yōu)化的重要依據(jù)，因此，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)定是十分重要的工作。然而，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的精確測(cè)定是一項(xiàng)獨(dú)立于工藝試驗(yàn)之外的專門實(shí)驗(yàn)，它不但要求具備滿足實(shí)驗(yàn)精度的特定設(shè)備，而且在具體進(jìn)行時(shí)又有相當(dāng)可觀的實(shí)際工作量。因此，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測(cè)定極為重要，其基本思路如圖生所示redlw.com。    

  動(dòng)力學(xué)方程通常分為3種形式，一是純機(jī)理型方程，二是半經(jīng)驗(yàn)半理論型方程，三是純經(jīng)驗(yàn)方程。基于碰撞理論、過渡態(tài)理論及分子動(dòng)態(tài)學(xué)而推導(dǎo)出來的純機(jī)理型方程，一般僅對(duì)簡(jiǎn)單反應(yīng)體系適用，當(dāng)前反應(yīng)工程學(xué)科應(yīng)用這類動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)的并不多見。工業(yè)反應(yīng)體系往往極為復(fù)雜，但作為動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展的方向，純機(jī)理型動(dòng)力學(xué)方程應(yīng)是每個(gè)化學(xué)反應(yīng)工程研究者必須努力的目標(biāo);純經(jīng)驗(yàn)性的動(dòng)力學(xué)方程如描述微生物生長(zhǎng)的Monod模型在反應(yīng)器設(shè)計(jì)中亦常常使用，但反應(yīng)工程學(xué)科通常使用的是半經(jīng)驗(yàn)半理論的動(dòng)力學(xué)方程，圖生所示指的就是此類方程。  

  建立動(dòng)力學(xué)方程模型的基本思路一般是先設(shè)定一定的基元反應(yīng)機(jī)理，該機(jī)理通常分為兩類，一是有限基元反應(yīng)組合機(jī)理，二是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理，在此前提下，根據(jù)擬平衡態(tài)假設(shè)或擬定常態(tài)假設(shè)，可以推導(dǎo)獲得一定形式的動(dòng)力學(xué)方程。動(dòng)力學(xué)方程通常分為兩種，一是冪函數(shù)型，另一種是雙曲函數(shù)型。視方程當(dāng)中是否含有一階微分，動(dòng)力學(xué)方程又可分為積分式和微分式兩種。   

 在動(dòng)力學(xué)方程確定后，方程中包含兩類物理量，一是伴隨反應(yīng)過程變化而變化的因索，通常是指反應(yīng)溫度、反應(yīng)物濃度及反應(yīng)時(shí)間;另一類是在反應(yīng)過程中相對(duì)穩(wěn)定的、反映反應(yīng)過程性質(zhì)的模型參數(shù)。模型參數(shù)無法由模型本身獲得，必須通過實(shí)驗(yàn)確定，這也正是該動(dòng)力學(xué)方程被稱為半經(jīng)驗(yàn)半理論的原因所在。因?yàn)槟Ｐ蛥?shù)必須由實(shí)驗(yàn)確定，于是就必然涉及實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容通常包含兩個(gè)方面，其一是實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)器的選擇，其二是實(shí)驗(yàn)條件的確定。實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)器類型與工業(yè)反應(yīng)器類型大同小異，不同之處僅僅表現(xiàn)在規(guī)模程度上，實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器規(guī)模小，通常為11左右，因此，其傳遞過程影響易于消除，任意個(gè)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響主要是純化學(xué)因索，如此易于反映反應(yīng)過程的本質(zhì)。而實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)方法包括兩種，當(dāng)獨(dú)立的組分?jǐn)?shù)僅為1個(gè)時(shí)，實(shí)驗(yàn)可采用單因索法，當(dāng)獨(dú)立的組分因索多于2個(gè)時(shí)，則往往采取正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。   

 通過實(shí)驗(yàn)獲得一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，接下來的問題是必須求解出動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，求解動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)的方法有積分法和微分法。基于積分式動(dòng)力學(xué)方程的求解方法稱為積分法，基于微分式動(dòng)力學(xué)方程的求解方法則稱為微分法。在大多數(shù)實(shí)際情況下，模型參數(shù)求解方法采用的都是微分法redlw.com。   

 當(dāng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律確定后，必須要研究在實(shí)際工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器中通常出現(xiàn)的傳遞過程規(guī)律。為研究傳遞過程規(guī)律，通常可以在沒有化學(xué)反應(yīng)的情況下進(jìn)行，這是因?yàn)閭鬟f過程是反應(yīng)器的屬性，基本上不因化學(xué)反應(yīng)的存在與否而異。對(duì)于一個(gè)特定的工業(yè)反應(yīng)過程，化學(xué)反應(yīng)規(guī)律是其個(gè)性，而反應(yīng)器中的傳遞規(guī)律則是其共性。因此，傳遞規(guī)律受設(shè)備尺寸的影響較大，必須在大型裝置中進(jìn)行。由于需要考察的只是傳遞過程，不需實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，完全可以利用惰性物料進(jìn)行試驗(yàn)，以探明傳遞過程規(guī)律。正因如此，這種試驗(yàn)通常稱為冷模試驗(yàn)。    

進(jìn)行冷模試驗(yàn)研究傳遞過程規(guī)律時(shí)需要關(guān)注的一個(gè)重要問題是:所選模擬設(shè)備的大小，即傳遞過程應(yīng)在多大規(guī)模的模擬設(shè)備中進(jìn)行?為保證所獲得的傳遞參數(shù)準(zhǔn)確、有效，所遵循的原則是必須保持在模擬設(shè)備中發(fā)生的傳遞過程與實(shí)際反應(yīng)器中所發(fā)生的傳遞過程應(yīng)“相似”，即符合“相似性原理”。冷模試驗(yàn)設(shè)備的大小必須依據(jù)此原理進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。  

  在對(duì)反應(yīng)過程和傳遞過程進(jìn)行了充分的研究后，需要對(duì)相關(guān)成果進(jìn)行綜合處理，這一階段主要是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬并完成的，如圖5所示。  

  同時(shí)，為驗(yàn)證模擬結(jié)果是否可靠，還必須進(jìn)行中等規(guī)模的試驗(yàn)，即中試，又名熱模試驗(yàn)。熱模試驗(yàn)存在3個(gè)問題需要解決，一是試驗(yàn)規(guī)模，二是試驗(yàn)的完整性，三是運(yùn)行周期。如果熱模試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果相符，說明模型正確，能夠反映實(shí)際規(guī)律;如果不相符，則需要修正模型，直至與熱模試驗(yàn)結(jié)果相符為止。   

 具備了傳遞過程規(guī)律和小試測(cè)定的反應(yīng)過程規(guī)律，并且經(jīng)過了熱模試驗(yàn)驗(yàn)證，就能直接設(shè)計(jì)工業(yè)反應(yīng)器了，這樣就不存在設(shè)備的放大問題。數(shù)學(xué)模型方法本身可以直接通過計(jì)算就能獲得大型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，說明工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)并不必然地必須經(jīng)過由小型反應(yīng)器到中間規(guī)模反應(yīng)器再到工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器的整個(gè)過程。

 

  最后應(yīng)當(dāng)要注意的是，數(shù)學(xué)模型法要想獲得成功，必須要具備2個(gè)基本前提:一是它要求有可靠的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程;二是還要有大型裝置中的傳遞方程，兩者缺一不可。

  例如，固定床反應(yīng)器，雖然不少反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型研究較為完整，然而由于具體工業(yè)反應(yīng)器模型參數(shù)難以正確測(cè)定，尤其對(duì)復(fù)雜的工業(yè)反應(yīng)，其本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)也難以把握，因此，對(duì)固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模擬放大，迄今尚未有比較滿意的工業(yè)應(yīng)用。

  化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)定雖然有相當(dāng)大的工作量，但它畢竟可以在小裝置中進(jìn)行。而工業(yè)反應(yīng)器的傳遞模型卻不是小裝置所能解決的，它不但要求大型冷模試驗(yàn)和必要的熱模檢驗(yàn)，還需要工業(yè)規(guī)模的測(cè)試數(shù)據(jù)和工程研究的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累。因此，當(dāng)沒有可靠的大型設(shè)備傳遞模型時(shí)，數(shù)學(xué)模擬放大只能是紙上談兵。此時(shí)，精確的動(dòng)力學(xué)測(cè)定必然是徒勞的。當(dāng)然，這并不意味著不需要有關(guān)的動(dòng)力學(xué)知識(shí)和對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征的認(rèn)識(shí)。一個(gè)開發(fā)者應(yīng)當(dāng)充分具備動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，并據(jù)此巧妙地安排工藝試驗(yàn)，以便把握反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征和有關(guān)影響因索，為工業(yè)反應(yīng)器的選型和優(yōu)化服務(wù)redlw.com。   

 由此可見，從化學(xué)反應(yīng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)理的、定性的、半定量的動(dòng)力學(xué)特征研究應(yīng)當(dāng)是結(jié)合工藝試驗(yàn)進(jìn)行的重要任務(wù)。只有當(dāng)工業(yè)反應(yīng)器的傳遞模型足夠可靠時(shí)，精確的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)才是必要的，并可用于數(shù)學(xué)模擬放大。

 

2 化學(xué)反應(yīng)工程思維方式   

 如上所說，在剖析化學(xué)反應(yīng)工程課程各知識(shí)點(diǎn)及相互邏輯關(guān)系時(shí)，本研究采用了分類、分解和綜合的思維方式，而分類、分解其實(shí)屬于分析的方法。所以，分析、綜合是反應(yīng)過程開發(fā)中的基本方法，應(yīng)深加注意，其中尤以分析方法更是在各種科學(xué)思維方式中處于最基本的地位。對(duì)于圖3、圖5所示的化學(xué)反應(yīng)工程邏輯結(jié)構(gòu)，當(dāng)將它們具體應(yīng)用到實(shí)際的化工過程開發(fā)中時(shí)，也可用圖6簡(jiǎn)略地表示。圖6表示了化學(xué)反應(yīng)工程課程所提供的特有的工程思維方式。

 

3 結(jié)語