化学反应工程的研究方法十篇

化学反应工程的研究方法篇1

1.1多尺度问题

由于酒精发酵过程是一个综合了微生物学、生物化学以及化学工程学的复杂过程，因此模拟计算该过程不能仅仅单一采用传统的生物学方法或化学工程的方法，而应对生物反应器中多尺度问题作综合考虑。“多尺度”理论的提出和研究最早出现在化学工程学科领域，该理论认为以“单元操作”和“过程传递”为标志的传统方法已经不能满足这一需求。研究流动、传递、分相和反应多尺度行为和同一尺度下这些现象共存的规律，是当前化学工程定量化的趋势。对生物反应器的研究表明，细胞代谢物质流与生物反应器物料流变化的相关性是研究生物反应器中多尺度关联问题的有效方法，从关系特征中区分不同层次的问题，才能有效实现发酵过程的优化[2]。当然在这些层次中，工程中最感兴趣的还是化学工程这一层面。在化学工程学角度看来，酒精发酵罐可以看做是反应器，理论上计算反应器的模型应可以适用于酒精发酵罐。

1.2动力学与放大

乙醇发酵过程前沿课题主要集中在液化、糖化和发酵过程节能降耗，包括：耐受高温、高糖浓度、高乙醇浓度的能力以及酵母高效发酵过程的基础研究；液化酶、糖化酶的作用机制及实际物系的动力学研究；同步糖化发酵工艺实际物系的代谢调控机制与酵母发酵动力学等方面的研究[3]。从化学工程角度看，上述问题涵盖发酵生物反应动力学及传递特性两个方面，动力学方程是发酵过程放大的理论基础。发酵动力学包括两个层次：一是本征动力学，它是指没有传递等工程因素影响时，发酵生物反应固有的速率；二是宏观动力学，它是指在反应器内所观测到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。对酶催化反应，最早和最广泛使用的生物相集总模型是Michaels-Menten方程，微生物生长和反应的模型是Monod方程，表示底物或产物抑制作用的方式也很多。结构模型最早是由Dean和Hinshelwood的提出的。他们把微生物细胞区分为两种不同的结构，具有独立的反应网络，用不同的动力学方程表示。Rankrishna把活性生物质分为两类，分别描述这两类生物质的动力学特性。但至目前，生化反应本征动力学的研究还处在发展阶段。由于生化反应常经历许多中间反应，要弄清整个反应历程和各中间反应的机理比较困难的，许多现象尚未完全弄清。德国GBF用系统工程方法对一些重要的工业生物过程进行了定量生理学、代谢工程、不同规模生物反应器波动环境条件的细胞动力学及动态特性研究，以图进行工业生物反应器的优化与放大，取得一系列重要成果。Ghaly等[4]建立了基于奶酪乳清连续发酵的动力学模型，结果表明，模型预测的细胞浓度和乙醇浓度十分准确。Birol等[5]研究了SaccharomycescerevisiaeATCC9763酵母间歇发酵的特征，并将实验结果用11种模型进行关联，比较表明Monod和Hinshelwood两种模型的关联结果较好。Li[6]研究了Zymomonasmobilis发酵时乙醇的抑制作用，并提出了3个关于乙醇抑制作用的模型。Shen等[7]研究了纤维素发酵生产乙醇的半糖化发酵动力学模型。从文献报道中看，关于发酵底物、细胞生长动力学的研究较多，乙醇产物动力学较少；同步糖化发酵工艺的研究较多，但发酵过程尤其是同步糖化发酵技术背后的物理、生物、化学机制及工程策略报道很少，该问题是生物学和化学工程的结合点，而该方面的研究将为优化设计控制提供强有力的理论依据和技术支撑。对于连续酒精发酵，情况要比间歇发酵复杂。因为要模拟计算连续酒精发酵过程，不仅要考虑酒精发酵过程中的生物化学反应特征，还要关注酒精发酵罐内的流动情况，即停留时间分布问题。在大多数情况下，只要体系的物性、流场、流态与在实际操作（热态）时比较接近，往往可以用冷模的实验方法模拟在热态下的流体力学状态，这对大设备的放大规律的研究是很有帮助的。因此，采用大型冷模研究在过程设备中流体的流体力学特性并与用小型热模所进行的动力学研究相结合，是研究发酵设备放大规律的一种有效方法[8]。生物反应工程的研究、开发与放大，目前仍然是以经验方法为主。随着科学技术的发展，用数学模型法对生物反应工程有关内容进行的研究也必将会有大的进展。

1.3发酵罐内多场分布

多场分布包括温度分布、浓度分布和速度分布。发酵生物反应器中的物理因素——传递特性将影响到反应器内基质和产物的浓度分布及温度分布，进而影响到反应器内某一组分的反应速率。例如氧在发酵液中的传质速率、固定化酶颗粒及菌丝团和菌体絮状物内反应组分的扩散传质，这些传质对反应结果都会产生影响，甚至成了反应的控制步骤，并将影响反应器的设计和放大。因此传递特性的研究是不可忽视的问题，研究发酵罐内的传热、传质及传动将是化学工程领域的一项重要任务，同时也为更好地控制发酵过程提供了理论依据。国内外许多学者在这方面开展了研究并已取得许多成果[9-13]。英国伯明翰大学Nienow采用用激光测速仪研究生物反应器中的流场，用计算机图形分析研究菌体形态与发酵液流变学、操作条件等因素；用流动跟踪法测试液相循环时间分布；用规模缩小法考察pH值、溶氧梯度对代谢过程的影响。Hristov等[14]、Zahradnik等[15]、Lee等[16]使用CFD模拟研究了生化反应器的混合、传质和反应情况，并建立了三维区域网络模型。相关传递特性的实验及模拟研究已取得一定进展，为发酵罐优化设计，工程放大提供了一定的基础数据积累与技术支撑。Xia等[17]使用CFD模拟了多搅拌器发酵罐内的速度分布。结果表明，不同的搅拌器会产生不同的速度场。质量传递结果表明，相同搅拌器的不同组合也会产生不同的质量传递系数。Lian等[18]使用CFD模拟了发酵罐内的热量传递，通过求解热量传递方程得出了发酵罐内的温度分布。CFD模型在模拟反应器内的温度、浓度和速度分布上是一种十分重要的方法，应该引起足够的重视。

2乙醇纯化过程中的化学工程问题

采用发酵的方法生产乙醇，在获得乙醇的同时不可避免地会生成水。要获得乙醇势必要对乙醇和水进行分离，从原理上讲分离乙醇和水的方法有精馏、萃取精馏、加盐萃取精馏、共沸精馏、吸附、渗透汽化膜分离等多种方法。然而发酵液中乙醇质量分数一般为5%～12%，而燃料乙醇产品的纯度却要在99%以上，因而从发酵液中分离出乙醇所耗费的能量占总能量的绝大部分。又由于乙醇易与水形成共沸物，使用普通精馏无法获得无水乙醇。所以从发酵液中分离乙醇-水混合液一般分两步：先用普通精馏方法得到质量分数为92.4%的乙醇，再用共沸精馏、萃取精馏、液液萃取、吸附或其它方法得到无水乙醇。精馏作为具有技术成熟度和应用成熟度较高的分离方法是分离乙醇-水溶液最早也是最普遍的方法。但由于溶液较高的蒸发热，精馏在操作过程中需要很高的能耗；并且随着原料中乙醇浓度的提高，精馏塔中回流比必须相应地提高，进一步提高了成本。文献报道主要有3种方法替代精馏法生产乙醇[19]：萃取法、超临界流体法和渗透蒸发膜分离法。Egan等使用多种溶剂从10%含量乙醇的水溶液中萃取乙醇，发现把乙醇含量浓缩至95%需耗能23.55kJ/L，但其所使用溶剂大多具有毒性容易造成环境污染。Brunner等利用超临界二氧化碳和乙烷作溶剂分离乙醇-水溶液，由于乙醇在气相相对较低的溶解性，超临界流体法被认为是一种较好的方法。Shah等[20]在多种条件下研究了NaA-沸石膜蒸发分离乙醇-水，120℃下可生产530L/h浓度高于99.8%的乙醇。Morigami等[21]指出了NaA-沸石膜对水表现出很高的选择透过性和渗透通量。由此可见，这部分的工艺几乎等同于化学工程的分离工艺技术，而这些化工分离工程技术趋于成熟，因而可完全加以应用。传统的分离经历了几十年的研究和发展，技术上已经比较成熟，但并不意味着它们不再发展，无论在理论上、设备的结构和效率上，仍在不断有所创新，目前呈现出分离与反应过程耦合（增加化学作用对分离过程的影响）、分离过程的集成以及多场耦合等趋势。王华军等[22]提出了一种新的乙醇除水技术路线，采用了反应+精馏同时进行的方式除去乙醇-水共沸物中的水。目前燃料乙醇工业中乙醇纯化过程一般采用多塔精馏，而向乙醇-水体系加入另一组分以增大原有体系的分离因子的萃取精馏分离方法也被采用。近年来研究工作呈现出采用复合溶剂特别是加盐萃取精馏获得无水乙醇的报道，加盐萃取精馏利用的是盐效应。加入盐溶液，可以使乙醇对水的相对挥发度大大提高，恒沸点消失，可以在较小回流比下较容易获取无水乙醇。Cook等[23]在泡罩塔中研究了加入乙酸钾萃取精馏乙醇-水共沸物的过程，结果表明加入少量的乙酸钾即可消除共沸点。他们还比较了加盐萃取精馏和传统的萃取精馏的优缺点，得出加盐萃取精馏应用于乙醇-水系统更高效。Barba等[24]从能耗的角度比较了加入CaCl2的加盐萃取精馏过程与使用苯、戊烷、二乙酯的共沸精馏过程和使用乙二醇和汽油的萃取精馏过程，结果表明以CaCl2为盐的加盐萃取精馏过程优于其它技术。从降低能耗角度而言，加盐萃取精馏更适用于从发酵液中制得无水乙醇；与只用乙二醇的萃取精馏相比，溶剂比减少了75%～80%，塔板数大幅度减少，能耗显著下降，然而加盐萃取精馏中盐的加入，不可避免导致对设备的腐蚀，盐有时会从溶剂中析出，使管道堵塞，这都是目前亟待解决的问题。离子液体萃取精馏、超枝聚合物萃取精馏是新颖的分离乙醇-水混合物的方法，有较高的分离能力。膜蒸发分离乙醇-水混合物也取得了较好的进展。膜蒸发技术是基于溶液扩散机理，其驱动力是膜两侧的化学势梯度。采用膜蒸发可比传统方法节能1/2～2/3，且可避免产品和环境受污染，具有明显的技术经济优势。采用吸附脱水分离乙醇-水共沸物也是研究热点，无机吸附剂如分子筛、氯化锂、硅胶已成功应用于发酵乙醇工业[25-27]。然而对吸附床的流场特性及放大规律认识还不是很清楚，这方面仍需要进一步研究。生物吸附剂，如谷粒、淀粉和纤维素以其良好的吸附性能、高的乙醇收率，引起人们的关注。Ladisch等[28]率先研究了使用生物吸附剂进行乙醇脱水研究，结果表明淀粉和纤维素可选择性的吸附水蒸气，可得到高于质量分数为99.5%的乙醇。Hu等[29]通过实验研究了使用玉米粉作为固定床吸附剂打破乙醇-水的共沸点，然后再经流化床重生。Hu的研究结果表明，影响吸附量的因素包括蒸汽流过固定床表面的速度、床层温度、玉米粉的粒径分布，玉米粉对水的吸附能力为0.14～0.025g水/g吸附剂。从目前研究来看，在燃料乙醇生产中对采用单一操作过程研究的较多。如单独研究吸附脱水分离乙醇-水共沸物；单独采用渗透蒸发分离乙醇-水；单独采用萃取精馏法分离乙醇-水混合物等。然而对这些分离技术的综合运用，研究单元操作的组合优化报道很少。具体来说，对于从发酵液到成品酒精采用何种单元操作以及单元操作如何组合、分析不同组合的能耗及分离效果等都是目前学术界关注的课题。通过实验研究这些单元操作组合以及流程优化，显然耗时耗力，得不偿失；然而采用计算机仿真，运用流程仿真软件研究工程放大，模拟并研究实际物系在不同单元操作组合下的规律和经济效益具有较大优势。计算机仿真将成为研究流程优化的重要手段和必然趋势。乙醇纯化过程中，各种单元操作的模拟，其分离过程的耦合可以采用商品化的流程模拟软件（如AspenPlus，ProⅡ等）。然而这些商品化模拟软件在进行过程设计时，一般采用“二步法”[30]。而采用该种方法设计操作困难，耗时耗力，各种单元操作方式通常依靠经验决定，不属于真正意义上的过程合成或集成[31]。在乙醇的纯化中，工程模拟的重点在于根据指定条件对各种单元操作和分离流程耦合筛选。这就要涉及到人工智能方面的理论，无疑当采用专家系统后，计算机本身就是一个经验丰富的工程师，它能够根据人设定的要求（目标函数），自动选择合适的流程组合，而不在需要工程师去依靠经验来选择流程、确定工艺了。这方面的研究对于进一步优化乙醇分离无疑是十分有利的，具有重要意义。

3生物发酵反应与分离过程耦合

现有燃料乙醇工艺的基础研究包括生产过程放大和流程创新、研究生物反应与分离过程的耦合、探索新的短流程工艺[3]。由于发酵反应和分离过程耦合并不仅仅是二者的简单叠加，流程的耦合往往会产生意想不到的效果，在这方面无论是理论还是技术上都有待于进一步创新。对于反应与分离过程的耦合问题的认识，需要追溯一下这个问题的源头。若通过化学反应所生成的产物就是最终产品，则相应的过程一般认为是反应过程。在工程上付诸实施的方法、设备以及其它问题的综合便是反应工程。分离过程是通过物质的迁移从物系中除去或浓集某一特定组分。在工业上实现分离过程所采用的方法、设备以及大规模生产中所遇到的问题的综合构成了分离工程。它们在工程上采用的物质和能量的传递、流体力学和化学反应的基本原理、规律是相同的，所采用的设备也有许多共同点[8]。因而耦合问题从原理上看是可行的，实验结果也进一步证实了这一点。有关生物发酵反应与分离过程耦合方面的研究已有一些报道，如液液萃取与发酵结合。Weilnhammer等[32]使用Clostridiumthermohydrosulfuricum进行连续发酵时，采用油烯基乙醇作为萃取剂消除乙醇的抑制作用，结果表明采用了现场萃取技术的乙醇收率是没有采用该技术的两倍。Gyamerah等[33]开发了一个中等规模的萃取发酵生产乙醇的流程，采用月桂醇作为萃取剂移除产物，余下的发酵液循环使用。由于发酵时进行萃取而移除产物，该流程避免了酒精对酵母的毒性，提高了发酵效率。他们的研究中也表明由于水的循环利用，新鲜水的用量减少了78%，而更加可贵的是采用稳态法将反应工程中的全混流模型和分离过程中的萃取模型结合建立了描述该萃取发酵的数学模型，在反应和分离的耦合方面做了有益的尝试。Boudreau等[34]使用戊酸、油酸和壬酸从发酵液中萃取乙醇，然后进行闪蒸。结果表明，与传统蒸馏过程相比，萃取与闪蒸过程的结合节约了38%能耗。此外，膜蒸馏与发酵结合也有报道。Gryta等[35]使用膜蒸馏生化反应器生产乙醇，采用多孔的聚丙烯膜从发酵液中分离乙醇和其它的抑制剂，从而增加乙醇的产率和糖转化为乙醇的速率。综上所述，将生物发酵直接看做反应并与分离技术耦合，来提高整个发酵及分离的效率，这种观点和方法的运用将会极大地推动燃料乙醇工艺的技术进步。采用反应工程学原理，并结合分离理论进行建模分析研究耦合过程的机理，也将会进一步推动工艺革新。然而报道中大都是生物萃取剂、膜材料及工艺条件等方面的研究，而从传递特性（传热、传质、动量传递）、多场耦合方面等化学工程角度进行的研究较少，这也是化工学科的进步滞后于科学技术整体的发展的原因之所在[1]。多场耦合对于开发新型的发酵与分离设备具有重要的指导意义，未来的发展趋势必将是将反应和分离以及多种分离结合在一起的设备。如精馏与吸附、发酵与精馏等通过一个设备操作即可实现两者的完美结合，而目前的多塔生产工艺将会被逐渐淘汰而发展对应的短流程工艺。这方面的研究及发展将极大地消减成本，同时也会降低能耗，对于改善反应与分离过程、提高效率具有很大的潜力。它的发展必将推动燃料乙醇工艺的技术进步，并有望解决乙醇生产中的能耗问题。

化学反应工程的研究方法篇2

关键词:化学反应工程;教学改革;教材;实施方案

《化学反应工程》课程是化工类及相关专业的核心课程之一，属于本专业重要的专业基础课和必修课，在化工类学生的培养过程中起着举足轻重的作用。化学反应工程是一门研究与化学反应工程相关问题的一门科学技术，是从上世纪30年代初萌生到50年代末形成的一门由过程控制、传递工程、物理化学、化工热力学、化工工艺学、催化剂等相关学科互相交叉互相渗透而演变成的一门边缘学科［1］。通过近几年的教学经验和调查研究发现，学生普遍认为化学反应工程是大学课程中最难学的基础课程之一，学习过程中发现理论计算公式复杂，反应器种类繁多，课程学习结束后感到一头雾水，抓不住重点。因此，面对这样一门课程，如何进行教学，让学生理解起来更加形象生动，从更本上改变化学反应工程的教学现状是我们目前的重要任务。本文结合不同种类高等学校选用教材的特点和差异，并根据我校化工专业的特色，提出了《化学反应工程》课程教学的侧重点，从多方面对本课程的教学提出了改革实施方案。

1《化学反应工程》教学在化工专业中的作用

化学反应工程的主要任务是研究化工生产过程中反应器内的反应规律和传递现象，使化学反应实现工业化生产的一门技术科学，是提高化工生产技术所必需的科学技术理论。化学反应工程在化学化工领域中起着举足轻重的作用，目前各种化学品的生产和应用无不借助于化学反应工程相关的理论知识。在20世纪40年代，一个化学反应过程的技术开发到真正的工业生产大概需要十年以上的时间，而现在只需要三到五年。此外，随着计算机技术的快速发展，中试试验的规模不断缩小，试验的次数也不断减少，大大加快了化工厂建设的步伐，降低了投资建设的成本［2］。因此，作为一门理论教学课程，将化学反应工程这门课程作为化工专业方向的重点课程进行建设，对于高等学校教学改革的促进、本科教学质量的提高、优秀化工专业人才的培养具有十分重要的意义。济南大学作为一所省部共建的大学，化学工程与工艺专业一直是本学校的特色学科，学校对化工类学生的培养目标一直是培养应用型高技术的人才，每年为我国的精细化工和石油化工行业输送大约240名高水平人才，对精细化工和石油化工行业的发展起到重要的作用。为此在化学反应工程教学过程中，我们紧密结合我校的特点和化工实际生产的需要，着重提升学生的反应工程知识储备，培养学生分析解决实际工程问题的能力，并在教学过程中不断地进行教学改革和实践，把课程、教材的理论研究和教学方法相结合，不断提升《化学反应工程》的教学效果。

2不同类型高校选用教材的特点和差异

直到20世纪70年代，化学反应工程的相关研究成果才开始被大量地介绍到国内，其中华东理工大学的陈敏恒教授，天津大学的李绍芬教授，浙江大学的陈甘棠教授，四川大学的王建华教授等是国内最早从事反应工程教学的学者。到了80年代以后，国内从事化学反应工程学科教学研究的队伍迅速壮大，并且化学反应工程的研究逐渐渗透到各种化工领域，与世界研究水平之间的差距也不断缩小，不同版本的教科书和各种各样的专著也相继出版。反应工程已经成为我国化工类专业学生的一门非常重要的专业课程。目前国内已有120所大学和科研单位培养化工类相关专业的人才，例如清华大学、天津大学、华东理工大学、北京化工大学、中国石油大学、南京工业大学、浙江大学、大连理工大学、四川大学、华南理工大学和济南大学等。目前化学反应工程学科正在蓬勃发展，由于国内高校地区和专业特色的不同，不同高校在化学反应工程教材选择上也存在差异，各有各的特点。作者就不同高校所使用的《化学反应工程》教材进行了汇总和分析。首先介绍一下陈甘棠教授主编的《化学反应工程》(第三版)，这本教材是国内许多化工类高校选用的主要教材之一，随着我国在化学反应工程这一重要学科的教育方面日渐普及，该部教材自1981年第一版问世以来，已经出版到了第三版，受到广大化工类专业师生的好评［3］。该部教材的特点是着重基础，本书共分为十章，分别介绍了均相反应过程，包括均相反应动力学基础、均相反应器、非理想流动:非均相反应过程，包括气—固相催化反应过程、非催化两流体相反应过程、固定床反应器、流化床反应器;聚合反应过程，包括聚合过程的化学与动力学基础;生化反应过程，包括生化动力学基础、生化反应器。该部教材注重反应工程研究方法的介绍，在不同的章节内容中论述了反应工程学的发展方向，有助于读者进一步深入研究。朱炳辰老师主编的《化学反应工程》也受到国内很多工科类高校化工专业老师和学生的青睐。本部教材的第一版是由化学工业出版社于1993年出版，截至目前本部教材已经出版到第四版，其中第三版累计发行量高达32000册。《化学反应工程》第四版主要吸收了一些关于现代化学反应工程发展方向方面的知识，本部教材的主线是围绕化学反应与动量、质量、热量传递交互作用的共性归纳综合的宏观反应过程，以及如何解决反应装置的工程分析和设计。该书对近年来出现的化学反应新概念、新理论和新方法做了大量阐述。另外，对于国内一些偏工科的化工类高等院校，选用的教材大多数以郭锴老师主编的《化学反应工程》为主，本部教材的主要内容包括:均相单一反应动力学和理想反应器、复合反应和反应器选型、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、气固相催化反应流化床反应器、气液相反应过程与反应器、反应器的热稳定性和参数灵敏性。本部教材的特点是主要突出了该门课程的重点和难点，删除了一些与教学大纲联系不是十分密切相关的内容，并着重讲解解决化学工程问题的基本方法。除此之外，罗康碧老师主编的《化学反应工程》教材结合了理科和工科的综合优势，吸收了国内外相关教材的许多内容和好的经验，增添了一些反应工程研究方面的最新成果。另外，本部教材在贯彻“少而精”的原则上更注意删繁就简，将重点放在化工专业领域内共性的基本问题上，并且同时体现了其教学性。本部教材先重点阐述基本概念和基本原理，然后结合实际生产，详细论述各种常用反应器的设计方法，并列出详细的例题和课后习题，用于帮助学生利用所学到的反应工程原理去分析和解决实际应用问题。近年来，梁斌等老师主编的《化学反应工程》第二版也受到国内许多化工类高校老师和学生的欢迎。在本部教材中，主要内容是以《化学反应工程》、《反应器理论分析》及国内外相关优秀教材为基础，致力于培养学生的分析问题能力和提高学生的工程实际知识储备，减少了教材内容在模型分析上的过程描述，加强学生在建立模型方面的训练。另外，本部教材还增加了工业应用背景的实例分析和课后习题，在分析解答这些习题的过程中让学生充分掌握反应工程的基本原理和相关知识，使教学内容尽量与科学研究和工程实践同步。

3我校化工专业的特点和教学侧重点

济南大学的化学工程与工艺专业属于理论性和应用性兼顾的一门特色化工学科，本专业始建于1992年，前身为山东建材学院精细化工专业，1993年招生，是济南大学重点学科的重要组成部分，2007年被学校授予校级特色专业，2012年成为山东省品牌(特色)专业，现为山东省氟化学化工材料重点实验室依托专业之一。其中化学反应工程这门课是本专业重要的专业基础课和必修课，另外，化学反应工程课程的理论教学是本专业本科教学的重要组成部分，起着理论指导和基础知识培养的作用。另外，从学校每年安排的工程实习学时就可以看出，学校对学生的动手能力和实践能力提出了更高的要求。例如学校每年组织化学工程与工艺专业大三学生去山东金城医药化工有限公司进行生产实习，主要参观和学习2－甲氧羰基甲氧亚胺基－4－氯－3－氧代丁酸生产车间的反应器设计和工艺装置流程图。通过调研每年的学生生产实习效果发现:学生在学习完实际工业生产装置后，对课本上的基本概念和原理理解的更加透彻。根据我校化工专业的特点，在《化学反应工程》的课程教学上，我们选择的教材是郭锴老师主编的《化学反应工程》第二版。在课堂教学过程中我们的教学目标为:通过对反应工程理论的学习，能够运用化学反应工程的理论方法建立数学模型，优化设计反应器、或者改善化学反应场所、改进现有的化工生产工艺;进一步提高学生的理论联系实际的能力，培养学生判断和解决问题的能力，使学生学会研究的方法，为进入研究生学习打下良好的基础;掌握由化学动力学特性建立动力学方程、建立数学模型、优化和设计反应器及改进化工工艺的理论;运用化学反应工程的知识，能够进行基本化工反应装置反应器的设计。

4拟采用或已经实施的教学方法

化学反应工程具有跨接多种学科的特点，结合本校化学工程与工艺专业的特色和优势，笔者从以下方面进行了教学方法的改进。(1)结合我校特点济南大学在医药中间体工业化生产、氟化学材料合成、精细化学品制备和环境催化方向具有鲜明的特色和优势，已经发展成为以新产品开发、新工艺设计、新技术应用为特色的精细化工和化工领域高级人才培养、科学研究和新技术开发的重要基地之一，并多次获得国家科技进步奖和发明奖。因此，在本科教学过程中，要结合我校化工专业的特色，着重讲解气固相催化反应和气液相反应过程，并要求学生能够运用化学反应工程的知识进行基本化工反应装置或反应器的设计，进一步提高学生的理论联系实际的能力，培养学生判断和解决问题的能力，为社会培养优秀的化学化工(医药中间体、氟化学材料和精细化学品)相关人才。(2)阐述方法和教学方式的改进目前全国高等学校的教学方式还是以灌输式教学为主，老师主动讲，学生盲目听，导致课堂利用率低，学生学习效率不高。随着计算机技术的不断发展，多媒体技术在高校已经普遍使用，虽然这样可以改善课堂教学方式，丰富课堂教学内容，提高学生的学习兴趣，但是多媒体技术的使用导致每节课的授课内容大大增加，学生并不能高效率的吸收每节课中所有的知识点，导致在学期末时学生对这门课的了解程度并不高［4］。例如，我在第一次讲授《化学反应工程》这门课程时，由于讲课经验和技巧都很欠缺，所以在整个课堂教学过程中完全按照多媒体上的内容进行阅读，这样生硬的填鸭式的教学模式，导致整个课堂教学效果很差。因此这样的灌输式教学模式会导致学生盲目听从，其自主性和能动性大大缺失，所以在以后的教学过程中，我们要“授之以渔”，而非“授之以鱼”，这需要我们在教学方式上加以引导［5］。笔者认为改变这种填鸭式的教学模式，主要的突破口就是让学生参与到课堂教学过程中，充分调动学生的积极性并培养学生对本门课的学习兴趣。针对这一措施，笔者在教学过程中进行了一些探索和改进，取得了很好的效果。具体探索过程如下:在阐述一些基本概念和原理的时候，可以在课前让学生充分的查阅资料，然后在课堂上让学生进行讲解，在这过程中并进行充分讨论，最后老师做总结，并纠正学生的错误观点。这种“查阅资料－主题讨论－问题反馈”的教学模式，能够让学生参与到课堂教学过程中，让学生做课堂真正的主人，提高学生的主观能动性，改变填鸭式教学的不足。(3)注重理论和实际的结合在高校的课堂教学过程中，教科书是一种不可或缺的教学工具，但也不能作为唯一的使用工具，教科书在本科教学过程中只能作为一种辅助的工具。这样就要求老师在教学过程中要灵活应用教材，既不能完全拘泥于教材，也不能完全脱离教材，在讲清楚基本原理和基本概念的基础上，注重理论和实际相结合。在每一章的讲述过程中，把每一个知识点都与实际工业应用相互关联，并阐明其主要的热量传递、动量传递、质量传递及化学反应在实际过程中是如何应用的，以加深学生对每一个知识点的理解。另外，还要注意结合科研成果，对学科前沿知识进行讲解，让学生了解目前化学反应工程的研究动向，例如在讲解气固相催化反应本征动力学时，可以引入最新发表的经典文献，通过对文献的讲解，加深学生对气固相反应本征动力学的理解，知道如何来研究一个催化剂的本征反应活性。通过这种理论与实际相结合的方法，可以大大提高学生在课堂上的学习效率。在对《化学反应工程》课程教学方法不断改进后，获得了良好的课堂效果，这不仅对教师的教学能力是一种转变和提高，对化工类学生思维和能力的培养也具有重要的意义。

参考文献

［1］金涌，程易，颜彬行.化学反应工程的前世、今生和未来［J］.化工学报，2013，64(1):34－43.

［2］王安杰，周裕之，赵蓓.化学反应工程［M］.北京:化学工业出版社，2005:1.

［3］陈甘棠.化学反应工程［M］.北京:化学工业出版社，2011:1－3.

［4］吴元欣，朱圣东，吴迎.以多尺度理念构建新的化学反应工程体系［J］.武汉工程大学学报，2011，33(1):2－3.

化学反应工程的研究方法篇3

超临界流体就是指在某一温度和压力下，处于液体到气体中间状态的流体。它的密度与液体密度相当，而粘度又和气体相似，其扩散的能力在液体和气体之间，大概相当于液体扩散能力的10-100倍。所以它既具有液体的高溶解能力，又能拥有气体的高扩散能力和压缩性。我们就利用超临界流体的这些特性，用于我们的化学生产。像这样的技术我们就把它称为超临界流体技术（SCF）。超临界流体技术一般是控制温度和压力的条件下，或者加入其他物资的情况下改变体系的传质系数、传热系数及化学反应特征的，这能更加高效清洁地进行化学生产，有的在超临界的状态下能节省能耗，所以超临界流体技术也被称为超级绿色化学技术。超临界液体技术（SCF）现在广泛应用到了材料制备中。早在上世纪九十年代该技术就已经开始应用，把二氧化碳制备成超临界的状态，以它为介质来制取特氟龙；还有聚丙烯工艺中也应用了SCF技术，利用丙烷的特点来做稀释剂，该技术也是做PE的升级版。当下，超临界流体技术则更多地应用在了高分子材料，复合材料，不易粉碎的无机物材料，以及提取不太容易溶解在单一超临界液体中的有机物。现在应用的超临界流体技术的方法主要有一下几种：1、快速膨胀法，该方法主要用于固体颗粒状的物质的制备；2、压缩抗溶剂发，主要用于制备微孔、微球类的物质，所以在药物分子及聚合物共沉上应用较多，也较成熟；3、抗溶剂法，通常该方法会应用在制备爆炸性物质和不溶于单一超临界流体的有机物上等。除了以上在制备材料方面的突出贡献，超临界流体技术还在分析化学中大展拳脚。它与色谱技术相结合，能在色谱研究中得到比气象色谱更高效，比液相色谱更精准的超临界流体色谱。更由于它的高效和低成本使得超临界流体技术在石油化工、环境保护还有医药化学等多个领域得到广泛使用。

2绿色化学反应技术的应用

绿色化学指用化学的技术和方法，再结合其他学科的知识来减少或者消除化学对于人类的危害、社会的危害以及环境的危害。从源头的原材料开始，到生产过程中的试剂和介质还有催化剂，到最后的产物及副产物都要求绿色、环保、无毒害，还有就是“原子经济性”的“零排放”。像在绿色无毒原料控制方面，石油化工原料就可以改变成生物原料的。制作尼龙可以不用含苯的石油化工原料，改成生物原料，生物原料的淀粉及纤维素等在酶催化反映下也能形成己二酸，这样一样可以制作尼龙，而且对人体和环境都危害极小。再比如在反应过程中对介质、溶剂等的控制，也要求无毒无害，在有机反应中水就是很好的溶剂，不仅对环境无害还能节省到有机反应中的官能团的保护还有去保护等环节，所以也省工艺省时间了。还有反应中用的绿色催化剂，绿色催化剂能更加正对性，更加高效地参与化学反应，并且得到的副产物少。在有机合成反应中，绿色催化剂的应用显得尤为重要。像不对称合成反应中，催化剂不仅为化学农药和精细化工提供反应需要的中间体，有的还能为反应提供绿色的合成技术。比如酶催化反应、氢酯化反应、还有不对称酮反应等。

3化学工程中的传热研究

化学反应中传热的研究是化学工程的重要内容，因为它严重影响着一个反应的能耗，反应的进程等。在微细尺度传热研究中，由于尺度微细，原有的传热假设及会发生变化，其流动还有传入的规律也会发生变化。目前在纳米、微米、集成电子设备还有微型热管领域中该传热研究交深入，取得了较不错的成果。而我们在改进传热工艺和设备上也做足了研究，为了提高传热效率，我们可以改进设备的性能，使其持续对外传热的能力提高，改变里面的传热材料和工艺的设计来实现传热的效率。然而我们现在投入很多精力的滴状冷凝技术的研究还没能取得很好的成果。由于我们不能在维持物质在滴状的时候冷凝，同时冷凝表面寿命延长,所以目前这个难题还很难突破。还有就是我们在计算沸腾时的传热存在很多弊端，复杂的沸腾状态不适用目前所有的传热计算方式，就研究沸腾传热的计算方法也是一大块难题的，所以就滴状传热技术的研究也将会是我们传热研究领域的一个重要课题，如果该研究获得进展必将改变现在很多的化学生产工艺形式，将会带领化学生产进入一个新的时代。

4结语

化学反应工程的研究方法篇4

关键词：金属间化合物 材料科学与工程 实验教学 研究 应用

在材料科学与工程专业的本科教学工作中，本科生进入大三和大四的学习生活中，就要学习材料科学与工程专业的专业课程和专业基础课程。其中在材料科学与工程专业的课程教学中，在讲述材料的合成与制备方法，材料科学基础等课程中都将讲述过金属间化合物材料。金属间化合物材料已经作为金属材料教学研究中的重要内容。金属间化合物材料是指金属与金属间形成的金属互化物或者金属与非金属元素间形成的化合物。金属间化合物的种类比较多，而且一些常用的金属间化合物已经在工程领域得到应用。金属间化合物材料中所含元素都是普通元素，是金属合金材料，所以可以将金属间化合物材料的制备和性能的知识内容引入到材料科学与工程专业的课堂教学和实验教学中，可以作为本科学生的毕业设计和专业课程设计教学内容。

一、金属间化合物材料的概述和应用

金属间化合物是指以金属元素或类金属元素为主组成的二元或多元系合金中出现的中间相。金属间化合物主要指金属与金属间，金属与类金属之间按一定剂量比所形成的化合物，金属间化合物有的已是或将是重要的新型功能材料和结构材料。金属间化合物的历史由来已久，金属间化合物的研究已经成为材料科学研究的热点之一。人们发现许多金属间化合物的强度并不是随温度的升高而单调地下降，相反是先升高后降低。因为这一特性，掀起了新一轮金属间化合物的研究热潮，使金属间化合物具备了成为新型高温结构材料的基础。现在已研究出许多方法和措施，用来改善和提高金属间化合物的塑性，为将金属间化合物材料开发成为有实用价值的结构材料打下基础。金属间化合物是航空材料和高温结构材料领域内具有重要应用价值的新材料。金属间化合物强度高，抗氧化性能好和抗硫化腐蚀性能优良，优于不锈钢和钴基，镍基合金等传统的高温合金，而且具有较高的韧性，因此金属间化合物被公认为是航空材料和高温结构材料领域内具有重要应用价值的新材料。金属间化合物材料作为近20年内才发展起来的新材料，相对于传统金属材料具有特殊的优点和规律，广泛用于制备金属间化合物基复合材料。金属间化合物相对于金属材料为脆性材料，相对于其他材料则具有一定的韧性，并且具有相当高的塑性。某些金属间化合物还具有反常的强度-温度关系，在一定的温度范围内，强度随着温度的升高而升高，这对高温结构材料的开发和应用给予很大的希望。此外许多金属间化合物材料具有良好的抗氧化性能，耐腐蚀性能和耐磨损性能，如Ni-Al金属间化合物和Fe-Al金属间化合物材料。因此采用金属间化合物和其他材料相复合制备复合材料可以提高金属间化合物材料的力学性能。

金属间化合物具有一系列的优异性能是最具有吸引力的新一代高温结构材料和表面涂层材料。金属间化合物的种类非常多，近年来国内外主要研究集中于Ni-Al金属间化合物，Ti-Al金属间化合物，Fe-Al金属间化合物等含Al金属间化合物的研究。目前金属间化合物材料已经研究和开发的较为广泛。许多金属间化合物材料已经用于铸造，锻压和高温熔炼等。金属间化合物材料具有高温强度好，高温抗蠕变性能强，抗腐蚀性能好，抗氧化性能好等优点，且在一定的温度范围内金属间化合物的屈服强度随着温度的升高而升高。但是金属间化合物材料作为使用的结构材料，还存在硬度低，断裂韧性差以及高温强度低等缺点。将金属间化合物与其他材料进行复合制备金属间化合物基复合材料，以制备出兼具有二者优点的复合材料是当前的重要研究和发展方向。金属间化合物材料具有较高的加工硬化率和较特殊的高温性能，因而被认为是下一代高温结构材料和高温耐磨损材料之一，特别是在改善金属间化合物材料的塑性后，更是受到了广泛的重视和研究。为了进一步提高金属间化合物材料的综合性能，很多研究工作者在金属间化合物材料中加入强化相制备金属间化合物复合材料，即形成金属间化合物基复合材料。可以向金属间化合物中加入碳化物硬质相制备耐磨损的金属间化合物基复合材料。金属间化合物材料具有许多优秀的性能而被广泛的应用到工程领域中。

二、金属间化合物在材料科学与工程专业教学实践中的研究和应用

金属间化合物材料由于具有许多优异的性能而被广泛的应用在工程领域中，所以应该在材料科学与工程专业的课堂教学和实践教学中增加一些金属间化合物的知识和内容。金属间化合物材料主要包括Al系金属间化合物材料，主要有Fe-Al金属间化合物，Ni-Al金属间化合物，Ti-Al金属间化合物等，还有其他的如Cu-Al合金，Cu-Zn合金以及Ni-Ti合金体系等金属间化合物材料。由于一般常用的金属间化合物是由两种金属元素形成的化合物并具有典型的二元相图，所以可以通过认识和了解金属间化合物学习和掌握二元相图的知识内容。此外金属间化合物材料的制备工艺方法也有很多，主要有金属熔炼法，高温自蔓延反应合成法，机械合金化法，反应烧结法，粉末冶金工艺等多种方法。其中反应熔炼法是将不同种金属元素放到熔炼炉中进行熔化形成金属合金熔体使其均匀混合并冷却形成金属间化合物材料。高温自蔓延反应合成方法是通过反应放出大量的热量维持反应继续进行最终形成所需要的金属合金材料。机械合金化工艺过程是利用高能球磨机把两种纯金属粉末放入球磨罐中并加入适量的添加剂进行球磨，粉末的制备由机械合金化过程完成，块体的制备则由烧结过程实现，机械合金化工艺是一种固态反应的过程。机械合金化技术是近年来发展起来的一种材料制备方法，机械合金化工艺通过对粉末反复的破碎，焊合来达到合金化的目的，由于合金化过程中引入大量的应变，缺陷以及纳米级的微结构，机械合金化制备的材料具有一些与传统方法制备材料不同的特性。通过机械合金化工艺就可以制备出金属间化合物粉末。粉末冶金技术是制备金属间化合物材料比较常用的一种方法。以单质或合金粉末为原料，一般是先用塑性加工的方法把粉末制备成所需要的复合材料制件，然后在烧结同时实现了制件的成型。反应烧结法是将不同种金属元素粉末通过热压烧结工艺或者常压烧结工艺形成金属间化合物块体材料。金属间化合物材料的制备通常采用粉末冶金工艺进行制备。

由于金属间化合物材料原料成本较低，制备工艺不复杂，所以对于金属间化合物材料的制备和性能的研究工作可以引入到材料科学与工程专业的实验教学工作中。可以在实验教学的课程中增加金属间化合物材料的制备和性能的研究内容，例如通过反应熔炼法，机械合金化方法和粉末冶金法等制备金属间化合物材料，并对金属间化合物材料的结构和性能进行研究。通过以上实验教学过程可以锻炼学生的实践能力和分析能力，还可以加深学生对材料科学与工程专业知识内容的认识和了解。在上述实验方法中，其中机械合金化工艺是比较实用并且能够在实验室里进行的。机械合金化工艺是将两种不同的金属粉末混合并经过高能球磨过程制成金属间化合物粉末，并通过烧结过程制备金属间化合物块材。机械合金化工艺可以在实验室里进行，可以安排学生通过机械合金化工艺制备金属间化合物材料。此外在本科学生的专业课程设计和毕业设计期间也可以安排学生进行金属间化合物材料的制备和性能的研究工作。通过对金属间化合物材料的制备和性能的研究工作，使得学生充分的认识和了解金属间化合物材料的性能特点，并加深学生对所学习的材料科学与工程专业课程知识内容的认识和了解，使得学生对材料科学与工程专业的课程内容有一定的掌握和熟悉，并通过实验教学过程提高了学生的实践能力和分析问题解决问题的能力，扩展了学生的知识面。所以本文作者认为应该在材料科学与工程专业的实践教学过程中增加一些关于金属间化合物材料的实验课程，并以金属间化合物材料的制备和性能的研究内容作为实验教学课程，这将有助于提高学生的实践能力并扩展了学生的知识面，这为本科学生以后学习材料科学与工程专业的知识内容打下坚实的实验基础。

三、金属间化合物材料未来的研究方向和发展趋势

金属间化合物材料由于具有许多优异的性能而被广泛的应用在工程领域中。近年来金属间化合物材料发展迅速，一些常用的金属间化合物已经被应用到实际的工程领域中，还有些新型的金属间化合物正在研究和开发中，而且有些金属间化合物作为结构材料进行使用，还有些金属间化合物成为先进功能材料和具有特殊性能的新材料。所以金属间化合物材料的发展和应用前景比较广阔。所以本文作者认为应该在材料科学与工程专业的实践教学过程中增加一些关于金属间化合物材料的实验课程，并以金属间化合物材料的制备和性能的研究内容作为实验教学课程。通过实验课程教学可以提高本科学生对材料专业课程内容的认识和了解。

本文主要讲述金属间化合物材料的概述和应用，并讲述金属间化合物材料在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用，并介绍金属间化合物材料的未来发展趋势和方向。作者认为在材料科学与工程专业的实验教学中增加金属间化合物材料的制备和性能方面的实验课程，通过实验课程教学可以提高学生对材料科学与工程专业所学知识的认识和掌握。

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化学反应工程的研究方法篇5

化学工程作为一门基础学科，长期以来是以实验为基础发展起来的，是一门理论与实验相结合的学科。随着计算机技术和信息技术的发展日新月异，化学工程的研究中又增加了计算与计算机模拟的方法，它已经逐渐成为化学工程中最富有生命力的研究方法。随着电子计算机在化学工程中的广泛应用，传统的化学工程学科已逐渐成为一门集实验、计算、理论于一体的综合性学科。

从20世纪50年代开始，科研工作者就利用计算机解算化工过程的数学模型，使研究方法出现了一个革新。经过几十年的发展，化工过程模拟已经成为普遍采用的常规手段，被广泛应用于化工过程的研究、开发、设计、生产操作的控制与优化、操作培训和技术改造之中。

一、流程模拟

化工过程流程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据，诸如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模拟软件，将一个有许多个单元过程组成的化工流程用数学模拟描述，用计算机模拟实际生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果，其中包括最受关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。

流程模拟就是在计算机上“再现”实际生产过程，由于这一“再现”过程不涉及实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因此给化工模拟人员最大的自由度，可以在计算机上任意进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。流程模拟式计算机技术是化工方面的最重要应用之一。应用流程模拟系统不仅可以节省时间，也可节省大量资金和操作费用，提高产品质量和产量，降低消耗。流程模拟系统还可以对经济效益、过程优化、环境评价进行全面地分析和精确评估，并可以对化工过程的规划、研究和开发及技术可靠性做出分析，并快速准确地对多种流程方案进行分析和对比。

二、单元模拟

化工工业处理的过程是以质量、动量和能量的连续流动为特征，传统手段对这一过程的处理很大程度上是依靠经验以及一些宏观参数表达的经验关系式。现代流程模拟技术中，绝大部分单元过程仍被处理为“黑箱”模型，对流动、传质、热、反应比较敏感的单元过程的设计、放大，需要了解有关质量、动量、能量流更多微观和深入的信息，单元模拟技术就是为了解决这一问题而产生的。

在单元模拟过程中，单元内部的介质基本是多组分或多相的，传质、传热、反应过程相互耦合。单元模拟技术通过离散方法求解这一耦合体系，以获得空间和时间的速度分布、温度分布、压力分布、浓度分布、相分数分布等。单元模拟技术可以提供传统手段难以获得的大量信息，如单元过程内部所有参数的空间分布和动态变化，通过这些信息可以深入理解单元过程内部的机理，在发生异常时亦有助于分析原因。因此，它是一种低成本的调优手段，当结构形式或结构参数变化后，单元过程内部随工艺参数和操作参数而变化的过程，可以在计算机上很方便地进行试验，直接用于优化和改造手段，而且单元模拟的计算不是经验性的，比较可靠，目前单元模拟主要用于化工生产的工程放大、优化设计、诊断及扩能改造、生产调优及控制四个方面。

三、反应动力学模拟

化学反应动力学是一门研究各种因素对反应速率的影响规律和反应机理的科学，在根据实验结果和对反应机理研究的基础上建立了化学反应动力学方程，它们对反应器的设计、最优化条件的选择都是必不可少的理论基础。

目前所采用的物理化学教材对一系列对峙、平行、连续等复杂反应的动力学方程仅给出分离变量法或消元法等单一的数学处理方法，这种方法对于非常简单的复杂反应可以求出解析解，但大多数化学反应的反应机理非常复杂，由于从反应机理得到的微分方程组，非常不便求解，因此借助电子计算机用数值解法，可以方便地求解从反应机理得到的微分方程组。

计算机模拟在复杂化学反应动力学的计算中有着广泛的应用，通过计算机模拟计算得到的结果可以预知反应过程中各反应物质浓度的变化，通过对连续反应最佳时间的计算可以控制反应时间以得到所需要的物质的最大浓度，通过计算平行反应和对峙放热反应最佳温度，可以控制反应温度，优化反应条件，使生成产物的速率达到最大值，这些计算机模拟计算的数值可以为实际工业生产中工艺条件的控制以及反应器的设计提供重要的参考数据。

四、分子模拟

从分子水平来研究化工过程及产品的开发和设计，无疑是21 世纪化学工程的一个重要方向，计算机模拟研究已渐成为与实验研究及理论研究相平衡的认识自然规律的第三种重要方法。化工热力学数据对于化学工业过程的设计、操作以及优化具有重要的作用。热力学数据一般通过三个途径取得：即实验测定、理论总结及计算机分子模拟。通过计算机分子模拟，可以较为严格地从流体的微观相互作用出发，预测流体的宏观热力学性质。特别是在一些极端的条件（如高温、高压、剧毒）下，进行实验是很困难的，计算机模拟则较易实现，并且比较经济。采用计算机分子模拟方法，可以得到相当可靠的热力学体系的径向分布函数、宏观热力学性质以及输运性质，这为我们建立与改进各种描述实际现象的理论或模型提供可靠的依据。

化学是一门基础性学科，是以实验为基础发展起来的理论与实验相结合的学科，随着计算机技术在化学学科中的广泛应用，逐渐形成了应用计算机研究化学反应和物质变化的独立学科，它以计算机为技术手段，进行化学反应方面的数值计算，这就是计算化学。

计算化学是理论化学的重要分支，是利用电子计算机、通过数值计算解决化学问题的一门方法学。计算化学是一门新兴的、多学科交叉的边缘科学，它运用数学、统计学与计算机程序设计的方法，进行化学方面的理论计算、实验设计、数据与信息处理、分类、分析和预测。随着化学仪器对自动化要求越来越高，许多化学实验过程用人工进行控制相当困难，需要可靠的控制技术系统，因此计算机计算模拟技术从根本上改变了化学实验技术。

计算化学以数值计算为基础，用高级语言及其编程技术，解决化学中的数值计算问题，它将数学的计算方法通过计算机程序具体地应用于化学过程中，通常用来研究化学中一些常用的、共同的、较为常见的计算方法，是化学计算的核心。实验数据的内插、函数拟合、线性方程组求解、高阶方程组求解、解微分方程组、求本征值与本征向量等，它们均与化学中量子化学、分析化学、化学平衡、化学动力学和试验数据处理等密切相关。现代计算化学技术的发展，已经能够将各种化学性质与分子结构之间的关系定量地联系起来，化学因此正从实验科学迈向实验、计算、理论相结合的综合性学科，化学已经由多实验少计算，演变为先实验再计算，也必将逐步演变为先计算再实验。

目前计算化学在无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、结构化学中都有广泛地运用，具体来说，计算化学要完成的任务主要有量子结构计算、分子从头计算、半经验计算和分子力学计算等量子化学和结构化学范畴，以及物理化学参数计算，包括反应焓、偶极距、振动频率、光谱熵、反应自由能、反应速率等理论计算，这些属于化学热力学、化学动力学及统计热力学范畴。在计算化学中，数值计算是最根本的任务，其目的是将已知参数通过适当的数学计算得到一个预期的结果，这个结果可以和实验结果相比较，也可以和前人的研究成果相比较，最终得出结论，用来指导化学实验的实施。

化学工程设计具体的任务涉及物料衡算、能量衡算、厂区布置图绘制、车间布置图绘制、设备装备图绘制、管道布置图绘制、带控制点工艺流程图绘制、设备选型及强度校核计算等许多工作，如此众多繁杂的工作，如能引入计算机辅助，将大大减轻化工设计工作的强度。

过去那种利用普通纸笔绘制化工图样、利用计算尺和计算器进行的各种计算将被计算机软件应用所取代。计算机辅助设计制图和普通制图相比不仅具有绘制精确、图面整洁等优点，而且还具有随意修改、重复利用、按需打印等普通手工绘制无法具备的特点，利用计算机辅助设计进行化工工程图绘制已经是21世纪的基本趋势。

化学反应工程的研究方法篇6

【关键词】铜催化剂，乙烯氧氯化，动力学

abstract :with the adjustment of the national energy policy, ethylene oxide chlorine market got great development, build a batch of domestic ethylene chloride oxygen device, with raw materials become dominant trend in raw material route, technology in the purification, synthesis, aspects and so on saving energy and reducing consumption has a great development, and develop its own technology, single series, large scale was the consensus of all, this article mainly elaborated on the copper catalysts of ethylene oxychlorination reaction kinetics of a series of problems.

key words:copper catalyst, ethylene oxychlorination, dynamics

中图分类号：F407.45文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

一.前言

随着石油化工的发展,氯乙烯的合成迅速转向以乙烯为原料的工艺路线.1940年,美国联合碳化物公司开发了二氯乙烷法.为了平衡氯气的利用,日本吴羽化学工业公司又开发了将乙炔法和二氯乙烷法联合生产氯乙烯的联合法.针对我国在铜催化剂上乙烯氧氯化反应动力学进行深入的研究和探讨。

二.生产方法

1.乙烯氧氯化法

现在工业生产氯乙烯的主要方法.分三步进行:第一步乙烯氯化生成二氯乙烷;第二步二氯乙烷热裂解为氯乙烯及氯化氢;第三步乙烯、氯化氢和氧发生氧氯化反应生成二氯乙烷.

（一）乙烯氯化.乙烯和氯加成反应在液相中进行:

CH2=CH2+Cl2CH2ClCH2Cl

采用三氯化铁或氯化铜等作催化剂,产品二氯乙烷为反应介质.反应热可通过冷却水或产品二氯乙烷汽化来移出.反应温度为40℃～110℃,压力为0.15MPa～0.30MPa,乙烯的转化率和选择性均在99%以上.

（二）二氯乙烷热裂解生成氯乙烯的反应式为:

ClCH2CH2ClCH2=CHCl+HCl

反应是强烈的吸热反应,在管式裂解炉中进行,反应温度为500℃～550℃,压力为0.6MPa～1.5MPa;控制二氯乙烷单程转化率为50%～70%,以抑制副反应的进行.

裂解产物进入淬冷塔,用循环的二氯乙烷冷却.产物温度冷却到50～150℃后,进入脱氯化氢塔.塔底为氯乙烯和二氯乙烷的混合物,通过氯乙烯精馏塔精馏,由塔顶获得高纯度氯乙烯,塔底重组分主要为未反应的粗二氯乙烷,经精馏除去不纯物后,仍作热裂解原料.

（三）氧氯化反应.以载在γ-氧化铝上的氯化铜为催化剂,以碱金属或碱土金属盐为助催化剂.主反应式为H2C=CH2+2HCL+O2ClCH2CH2Cl+H2O.

反应器有固定床和流化床两种形式,固定床常用列管式反应器,管内填充颗粒状催化剂,原料乙烯、氯化氢与空气自上而下通过催化剂床层,管间用加压热水作热载体,以移走反应热,并副产压力1MPa的蒸汽.固定床反应器温度较难控制,为使有较合理的温度分布,常采用大量惰性气体作稀释剂,或在催化剂中掺入固体物质.二氯乙烷的选择性可达98%以上.

在流化床反应器中进行乙烯氧氯化反应时,采用细颗粒催化剂,原料乙烯、氯化氢和空气分别由底部进入反应器,充分混合均匀后,通入催化剂层,并使催化剂处于流化状态,床内装有换热器,可有效地引出反应热.这种反应器反应温度均匀而易于控制,适宜于大规模生产,但反应器结构较复杂,催化剂磨损大.

由反应器出来的反应产物经水淬冷,再冷凝成液态粗二氯乙烷.冷凝器中未被冷凝的部分二氯乙烷及未转化的乙烯、惰性气体等经溶剂吸收等步骤回收其中二氯乙烷.所得粗二氯乙烷经精制后进入热解炉裂解.

乙烯氧氯化法的主要优点是利用二氯乙烷热裂解所产生的氯化氢作为氯化剂,从而使氯得到了完全利用.

2.气相催化脱氯化氢法

一般利用特定的催化剂在气相条件下催化脱氯化氢,温度控制在200℃左右,从而制得氯乙烯单体和氯化氢气体.主要反应的方程式为:ClCH2CH2ClCH2=CHCl+HCl.

三.铜催化剂上乙烯氧氯化反应过程

1.至今，人们对乙烯氧氯化反应：

的机理及其动力学的研究已很多，但在学术界仍未取得一致见解。早期曾有人提出Deacon反应机理，认为氯化氢先被氧化成氯气，然后与C2H4反应，但这种机理逐渐被后来的研究者所否定。在此基础上，后来的研究者提出了多种反应机理，大致可归纳为氧化一还原机理、氧乙烯机理、络合一氧化还原机理，并推得了相应的动力学方程式。但深人分析这3种机理及其方程式后，发现氧乙烯机理或络台一氧化还原机理的历程都表明只有在C2H4和O2或HCI同时存在下，才能生成EDC，而几乎所有的研究者(包括上述机理的作者)的试验都发现在新鲜CuC]／AJO催化剂上仅通CH．的条件下，就会产生EDC。作者们认为上述两机理尚不足以解释这一重要的试验现象。

另一方面，近期的动力学试验研究表明，本反应速率对关键组份乙烯的分压大于1．0级，而以前提出的反应历程所导出的动力学方程式却都显示出一个类似的特征，即反应与乙烯的分压成O—I-0级的关系，说明前人研究中所假定的反应历程具有一定的局限性。另外，前人的试验研究中原料气配比大多按反应的化学计量比，很少有人对日前工业实际反应配比的条件下的反应动力学做试验研究，尤其在接近工业反应器内反应气氛变化范围的条件下的动力学试验尚未有研究报道。

2.为了使反应历程更好地解释试验现象，并使导得的动力学方程式(理论)和经验速率方程(试验)更好地符台，作者们研究了前人提出的反应机理，并对催化剂做了化学状态(Cu2+，)剖析，证明乙烯氧氯化反应历程应包含氧化一还原过程。又根据许多研究者对该催化剂吸附性能的研究，认为该催化剂对HCI、C2H4和O2均有吸附，且吸附强度依次减弱，其中HCI与C2H4的吸附部位不同，O2还是解离吸附，而产物C2H4CI2和H2O是不吸附的结论，本文提出了吸附一氧化还原机理。同时认为吸附态C2H4和催化剂上的CuCI结合生成活性的CuCl2一C2H4中间体才会反应产生EDC，具体历程如下：

式中是能吸附C2H4和O2的活性部位}是另一能吸附HC1的活性部位。显然，该反应历程能与仅通C2H4CH．的条件下就能生成EDC的试验现象相符。

根据这样的反应历程，采用催化剂理想表面模型，并利用平衡态近似法推得反应式(5)为速率控制步骤时的动力学方程式为

式(8)的机理方程式表明，乙烯氧氯化反应对乙烯的反应级数为0—2．0，对氧的级数小于0．5，而对氯化氢的级数为零。故由本文提出的反应历程导得的动力学方程已能解释经验速率方程中反应速率对乙烯分压大于1．0级的现象。

3.试验结果和讨论

对试验中所测得的各温度下反应速率

和原料气分压的关系数据，按式(8)进行Marquardt法非线性拟合，得各温度下的k、B值列于表l。

将表l中的各值代人动力学方程式(8)中，求得诸试验点的计算值和试验测得的反应速率值比较如图1所示，两者吻合良好。在211—25l。c范围内，总平均相对误差不大于5．25％。这也进一步证明了所提出的乙烯氧氯

化反应历程是台理的。

此外，反应速率也用幂函数的试验式作了

关联，求得反应速率与C2H4、HC1、O2分压的

关系为：

可知，反应速率受乙烯分压的影响最大，O2次之，而HC1可被认为是无影响。该结果与由吸附一氧化还原机理所推得的机理动力学方程式相吻合，这也旁证了本文所假设的乙烯氧氯化反应历程是台理的。

同时得到了各温度下的反应速率常数值，取其对致与温度的倒数1／r描绘于图2。结果表明，在温度达233~(3左右，曲线出现了明显转折以前的同类研究也表明，“，该催化剂的生产厂家早期生产的催化剂也存在选一现象，但文献中未做任何解释。而对其他厂家生产的同类催化剂的对比研究却表明”，在211一251℃范围内，Ink和1／r有很好的线性关系。

又从对该催化剂及其他厂家生产的同类催化剂的对比物性剖析”可知，该催化剂制成前的烘干温度相对较低，因而有可能导致在温度升到一定程度时，催化剂的表面结构会发生一定的变化，从而；f起活化能的变化。因此可初步确定．造成上述现象的原因是该催化剂的生产厂家在制备方法或化学组成上有所不同，

为此，为获得更准确而实用的动力学方程，将对211一231℃和24l一25l℃两个温度范围内的试验数据分开处理，最后得：在211一233℃范围内

式(10)计算值与试验值的总平均误差仅为

5.5％。

四.结束语

通过以上对在铜催化剂上乙烯氧氯化反应动力学进行研究我们可以知道，我们在对铜催化剂上乙烯氧氯化反应动力学过程和方法上还存在一定的不足，为了满足我国在这方面的各行所需，我们应该更加深入地研究和探讨，同时和国外一些先进的国家进行交流学习。

参考文献：

[1]陈丰赦．乙烯氧氯化反应过程的技术基础殛其工程分析．杭州一新江大学，2011

[2]刘焕举；周双然；李海青.电石法氯乙烯生产技术总结.聚氯乙烯[J].2011（02）：

[3]许正胜.浅析电石法聚氯乙烯生产中乙炔清净废水回收处理工艺技术.石河子科技[J].2012（02）：（36）.

[4]北京他工研究院．氧气法乙烯氧氯化制二氯乙烷本征动力学北京北京化工研究2012

化学反应工程的研究方法篇7

关键词：微化工技术；过程强化；微反应器

中图分类号：TQ03

20世纪90年代初兴起了一种多学科交叉的科技前沿领域，这一领域就是微化工技术。微化工技术将化学化工原理和微机电系统结合，这种高新技术移植了微传感器制造技术和集成电路，涉及到的学科和技术十分广泛，包括化工、物理、化学、机械、控制学、电子和材料等。微化学工程研究的主要内容是几百毫秒和几百微米以内，并行分布系统和化工微设备设计、模拟、生成和应用过程中的特征和规律。微反应技术具有较强的传质和传热能力，能够大大提高能量和资源的利用率，提高单位体积的生产能力。因此，发展微化工技术具有重要意义。

1过程强化原理

化工过程中，本征反应动力学和传递速率各自控制或共同控制该过程中的化学反应。对于快速和瞬时反应，当该反应在传统设备中进行是，传递速率控制该反应，在微尺度反应系统中，由于传递速率提高了几个数量级，因此，反应速率也会得到大幅度的提高。对于慢反应而言，主要由本征反应动力学控制该过程，因此想要提高慢反应的反应速率，就必须提高本征反应速率，一般情况下，可以采用改变工艺操作条件和提高反应温度等方式来提高其反应速率。对于中速反应，由传递速率和本征反应动力学共同控制，可以采用提高慢反应速率的措施来强化该过程。目前，工业应用中的烃类硝化反应大部分都属于中慢速反应，可以采取提高反应温度和改变工艺条件两种方式加快这些反应的反应速度。综上所述，我们可以知道理论上任何反应都能够通过采取不同的措施进行强化。

2微化学工程与技术发展现状与趋势

20世纪50年代末，物理学家Richard Feynman指出，未来科学发展的方向是微型化。纵观半个多世纪的科学技术发展概况，我们可以看出微型化的确是科学技术发展的一个重要趋势，尤其是信息技术和微机电系统这两种技术，这两种技术已经应用到各个领域，对社会的发展产生了很大的影响。

20 世纪 80 年代初，Tuckerman 和Pease 提出了“微通道散热器”概念，这一概念成功解决了大规模化和超大规模化集成电路散热困难问题。

1993年，DuPont 公司应用微电子技术制造了首个芯片反应器，这反应器能够用来生产氰氢酸、异氰酸甲酯（MIC） 等有毒物质。

3国内研究工作进展

2000年，我国开始研究微化工技术，到目前为止，也取得了不少成果。经过十多年的发展，我国已经形成了一套完整的研发体系，为微化工系统的设计和工程放大奠定了良好的基础。

3.1微型氢源系统

作为未来电动汽车、潜艇的最佳候选电源，质子交换膜燃料电池在很多领域都广阔的应用前景。但是，质子交换膜燃料电池离技术商业化还有一定的距离，这是因为质子交换膜燃料电池的发展受许多因素的限制，其中，氢源技术就是影响其技术商业化的重要因素之一。这是因为氢气的分配、输送和储存困难，无法满足不同规模燃料电池的需求。而通过重整富氢燃料，比如醇类和烃类等，移动或现场制氢为燃料电池提供氢气，通过这种方式制取或运输氢源具有易于输送、能量密度大和能量转换效率高等优势，是提供燃料电池氢源最现实的途径。

大连化学物理研究所研究出了给千瓦级质子交换膜燃料电池提供氢源的微型氢源系统，该系统集成了微换热、甲醇氧化和原料汽化等子系统。该系统目前已经有产品应用与高校的教学中，我们可以设想不久的将来，该系统完全有可能应用到实际应用中。

3.2微混合技学术

很多的化工过程都是强放热快速反应过程，这些过程主要由传质和传热过程控制，微混合技术具有快速高效混合特性，采用这种特性，能够强化和微型化这些过程。大连化学物理研究所研究了单微通道内的传质、混合和流动等，多通道的多尺度结构和流体均布技术的设计，微混合系统的制造、封装和集成等。2007年9月研制出的微混合系统已经成功的投入到工业生产中，进行试运行。微混合系统具有混合、换热效果好、操作稳定等优势，同时其运行的噪音也非常小，还具有无振动等优点，这些优势都是传统工艺无法比拟的。该系统的成功应用，必将推动微化工技术在工业中的广泛应用。

3.3芳烃硝化反应

由于化学工业中的许多反应都是强放热过程，因此爆炸危险普遍存在，而且我国的装备和技术都比较落后，导致化学生产过程中安全性较差。

由于有机物硝化是一种快速强放热反应，因此，如果有机物硝化产生的热量不能够及时移出反应体系，则很容易引起爆炸，带来危险。以往硝化反应一般都在带冷却夹套的搅拌斧式反应器中进行，这种反应器的换热面积小，传热速率低，只能通过降低反应速率来避免因热量积累导致的危险，因此，传统硝化反应的反应时间长。

中国科学院大连化学物理研究所利用微反应器所具有的高效传热、传质能力，进行二硝基氯苯和二硝基甲苯的合成实验，硝化反应时间仅小于5 s，可实现该反应过程强化和微型化。

3.4纳米材料合成

清华大学化学工程联合国家重点实验室借鉴膜乳化技术 ，按多个微通道串并原理，设计了膜分散式微结构混合器，开展了均相及非均相 （液-液、气-液）体系的微尺度混合与分散、微尺度传质及微反应过程的应用基础研究。2005 年成功开发了万吨级的膜分散微结构反应器制备单分散纳米碳酸钙的工业装置。

4结论

由于微化工技术的研究初期主要在高校和科研机构的实验室研究，产业界虽有关注但介入不多，因此对微化工系统的放大和集成技术的研究机会少，大大减缓了微反应技术的实用化进程。经过 10 多年的研发与宣传推广工作，目前微化工技术已处于应用前夜。国内开展微化工技术的研究时间短，若能在研究初期就与产业界合作，可以加速微化工技术的产业化进程，在过程放大和系统集成方面积累经验，形成具有自主知识产权的专利技术。

总而言之，新时期化学工业面临着前所未有的机遇和挑战，微化工技术的发展和应用将会降低能耗，提高化工设备性能，节约体积，将会给化工技术和设备制造领域带来很大的改变，还会对人们的生活带来很大的影响。

参考文献

[1] 李金鹰，王勋章，赵英翠，陆书来，刘长清. 微化工技术的研究与应用[J]. 化工科技. 2011（01）

[2] 骆广生，王凯，吕阳成，徐建鸿，邵华伟. 微反应器研究最新进展[J]. 现代化工. 2009（05）

化学反应工程的研究方法篇8

论文摘要：将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律，这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科，经过化学家们的努力，量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展，在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前，量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域，取得了丰富的理论成果，并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、 在材料科学中的应用

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1 ，2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca 钙矾石、含Ba 钙矾石和含Sr 钙矾石的Al -O键级基本一致，而含Sr 钙矾石、含Ba 钙矾石中的Sr，Ba 原子键级与Sr-O，Ba -O共价键级都分别大于含Ca 钙矾石中的Ca 原子键级和Ca -O共价键级，由此认为，含Sr 、Ba 硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二） 在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe 、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子， 如低级芳香烃作为碳/ 碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian 98 程序中的半经验方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。 转贴于

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li + 离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago 等[8] 用半经验分子轨道法以C32 H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li - C 和具有共价性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、 在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用，甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘， 进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新. [ 学位论文] .武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院，1994

[2]程新，冯修吉.武汉工业大学学报，1995，17 (4) :12

[3]李北星，程新.建筑材料学报，1999，2(2):147

[4]闵新民，沈尔忠， 江元生等.化学学报，1990，48(10): 973

[5]程新，陈亚明.山东建材学院学报，1994，8(2):1

[6]闵新民.化学学报，1992，50(5):449

[7]王宝俊，张玉贵，秦育红等.煤炭转化，2003，26(1):1

[8]Ago H ，Nagata K， Yoshizaw A K， et al. Bull.Chem. Soc. Jpn.，1997，70:1717

[9]Ago H ，Kato M，Yahara A K. et al. Journal of the Electrochemical Society， 1999， 146(4):1262

化学反应工程的研究方法篇9

1课程体系

1.1课程体系应适应催化工业大环境的变化就传统《工业催化》课程体系而言，其培养目标是通过课程学习，使学生掌握催化作用的基本规律，了解催化过程的化学本质和熟悉《工业催化》技术的基本要求和特性，培养标准是为培养化学工程与工艺类专业工程师提供坚实的理论基础服务。随着现代化学工业的发展，催化理论持续更新，许多新型催化工艺及技术不断涌现，学习这些新催化工艺及技术的背景及原理，对于化学工程与工艺专业的本科生能否成为具有坚实的开发、研究和使用催化剂能力的高层次工程技术人才，能否胜任将来有可能从事的催化领域研究工作都有着重要的理论指导意义。相对稳定的培养目标和培养标准不能限制课程体系进行必要的变动，以适应外部环境和需求的变化。因此在“卓越工程师计划”的实施过程中，《工业催化》课程体系要随着卓越工程师的培养目标和培养标准的调整而做相应的变化，从而体现《工业催化》课程满足培养目标的根本价值。

1.2校企合作建设课程体系。“卓越计划”要求高校与企业共同制定和实施卓越工程师培养方案，包括共同建设课程体系和教学内容。《工业催化》课程可以充分发挥合作企业所具有的工程教育资源优势，包括先进设备与技术、实验环境、研究开发条件等，与本校催化人才培养优势实行优势互补，共同设计与构建卓越工程师培养的课程体系和教学内容，使得《工业催化》的课程体系和教学内容具有鲜明的特色。校企合作建设的课程体系将更有助于培养学生综合解决实际问题的能力，摒除传统课程体系不能联系工程、生产实际的局限，鼓励教师与各行业生产管理第一线的工程技术人员联合指导学生。通过校企联合指导课程，现场案例教学，增强课题的实际应用价值，为学生提供良好的工程环境。学生在完成课程学习过程中，可以随时请教企业中有经验丰富的技术人员和老师傅，学到许多课堂上学不到的、学校教师也无法传授的一些实践经验。

2教学方法：贯彻研究型教学方法，理论联系实践

教学方法是使教学思想得以贯彻执行、知识体系和课程内容得以完整实施和传授的关键所在。传统的《工业催化》课程之间具有明显的界限，课堂教学以讲授为主，综合性的案例和结合实际项目的教学不多，而基于问题的探究式学习、基于案例的讨论式学习、基于项目的参与式学习等多种研究型教学方法更是少之又少。研究型教学(problem-basedlearning，PBL，对学生而言可以称之为研究型学习)，它是一种符合工程能力培养规律和综合素质形成逻辑的教学组织形式和教学方式，得到“卓越计划”的大力提倡和着力推行[4]。研究卓越工程师不仅应具备分析问题、解决问题的能力，而且要能将设想和概念转化为现实，形成学生的工程能力。“卓越计划”通用标准对本科层次卓越工程师培养予以如下定位：本科层次卓越工程师：主要从事产品的生产、营销、服务或工程项目的施工、运行，维护，能够完全胜任现场或生产一线的各项工作。因此现有《工业催化》教学方法需要重构，在面向实际教学的基础上，遵循催化工程的实践、集成与创新的特征，采取相应的教学方法，按照催化剂的催化作用，催化剂的生产，催化剂的表征，催化剂的使用来组织教学内容，以学生为中心开展教学活动，着力推行符合工程能力培养规律的学习方法，强调学生创新意识和创新精神的培养，加强学生创新能力的训练，有效地提高学生的工程实践能力。所以，贯彻研究型教学方法，理论教学和工程实际相联系就非常重要。作为一种学习方法体系，研究型学习主要由基于问题的探究式学习、基于案例的讨论式学习和基于项目的参与式学习三种形式组成。从培养化工方向的卓越工程师的需要出发，其中的问题、案例和项目可以分别工业上成熟的催化工艺作为教学内容以实施相应的教学方法。这些问题可以是现行催化工艺中各种问题的重现、演变、放大或综合，也可以是教师根据对未来发展的预见专门设计出的催化方面的新问题。通过教师精心选择和设计这些问题、案例和项目，并采取研究性学习方法，就能够在学生知识的获取、应用和创新，工程能力的培养和提高，社会能力的培养和提高以及综合素质的养成和提升等方面发挥重要作用。

3教学内容：拓展知识视野，完善知识结构

3.1拓展知识视野，完善知识结构为了培养学生学习《工业催化》的兴趣，首先在每一章节的的教学过程中，凡是教学内容涉及到的在现行化工生产中已成功工业化的催化剂体系，如催化重整，催化裂化，合成氨等催化剂，可以引导学生多查阅相关资料，了解与这些催化剂的相关的制备工艺，催化反应原理，催化反应设备，催化剂使用过程条件控制以及催化剂再生等相关的知识。这样不但可以拓展学生的科学史知识，提高学习兴趣，增加求知欲，还有利于培养学生的自学能力；而且，结合专业特点丰富课程教学内容，联系与化工生产(化学工艺专业)及人们日常生活(应用化学专业)密切相连的催化知识，使学生主动去学习与催化相关的知识，从而理解并解决疑难问题，推动课堂教学的发展和质量的提高。丰富教学内容要求教师在备课过程中必须保证内容充实、准确、高质量。教师在准备每一堂课内容时，都必须查阅大量参考资料以确保知识的准确度，同时应从多角度、多层次综合、全面理解和诠释每一个知识点，并通过不懈的努力和研究形成自己的一套教学体系和教学风格。

3.2扩展前沿知识当今是个知识更新迅猛的时代，《工业催化》课程快速发展，必须与前沿科学知识紧密联系，才能培养出跟上工业和科学技术发展步伐的新世纪卓越工程师。扩展催化技术方面的前沿知识，不但有利于提高学生的学习兴趣，而且有利于培养学生的创新能力。前沿知识扩展对教师的素质有着很高的要求，这要求教师具备一定的科研素养，能有紧跟催化理论和技术发展的步伐，教师应深入学习、研究新的催化理论知识及催化技术最新发展趋势和动态，并将这些前沿知识充实到课堂教学之中，使学生能深切感受到科学技术的飞速发展给社会发展带来的巨大变革。例如：在《工业催化》课程中酸碱催化作为传统催化剂在催化裂化，催化重整等已经得到广泛应用，但课程对最前沿的酸碱俩性催化剂的介绍较少，这方面的知识，需要教师在查阅资料，将课堂内容补充完善。前沿知识的扩展，不仅需要提高教师的科研素养，还要调动学生的学习积极性。将《工业催化》课程每一章节的课余作业设置为此章节的相关前沿知识学习不失为一个理想的方法，例如在学习分子筛催化剂章节时，新型的杂原子分子筛，新型介微孔复合分子筛等催化剂是目前分子筛催化剂研究的前沿方向，教师可以布置学生课余查阅相关文献，形成报告，制作PPT，分组汇报并讨论，从而调动学生自发学习的兴趣。

4考核方式：以课题综述的形式考核

化学反应工程的研究方法篇10

1动载荷反演分析理论研究

20世纪70年代以来，广大学者在动载荷反演分析技术方面倾注了大量的心血，做出了卓有成效的工作，Stevens［1］、Dobson和Rider［2］、HirotsuguIn-noue等［3］、Nordstron和Nordberg［4］、许锋等［5］，对动载荷反演分析技术不同发展阶段进行了总结．动载荷反演分析理论，广义上可以分为频域法和时域法，从研究工况上可以划分为三类:一是载荷作用位置和载荷历程均未知，确定载荷作用位置和时间历程;二是载荷作用位置已知，确定动载荷作用时间历程或频域信息;最后是移动载荷反演，若载荷移动速度已知，隐含了已知的作用位置信息，可以归为第二类．下面详细阐述动载荷反演分析理论的发展历程．

1．1频域研究进展动载荷反演分析频域法是发展较早、比较成熟的反演分析方法．频域法分析的基本思想，将动力学系统在时域内输入与输出的卷积关系，转化为频域内输入与输出的乘积关系，在频域内建立系统的频率响应函数模型，再通过系统的输出估计系统输入．常用的频域直接求逆法的过程为，假定要反演的载荷数目为Ni，实测响应数目为N0，则在频域内，要反演的输入动载荷F(ω)与测量的输出响应X(ω)之间满足另外，结构动力学响应分析常用的模态坐标转换法［6－9］，也应用到动载荷反演频域分析中，在通过理论计算或模态试验方法获得结构模态参数的情况下，通过模态坐标转换得到频域下的输入载荷．在频域内，响应X(ω)在模态坐标和物理坐标下满足关系二十世纪七十年代末，Barlett和Flannelly采用频域法用加速度响应识别了直升机主轴的动态载荷［10］．1982年，Giansante等用上述方法识别出了AH－1G直升机飞行时主轴和尾桨所受的外载荷，解决了该理论在实际应用中的非线性问题［11］．1984年，Ewins等通过测量结构动应变，在频域内重构了作用于复杂压缩机叶片上的动载荷，对响应选取及对识别精度的影响进行了讨论，提高了低频段动载荷反演精度［12］．J．A．Fabunmi讨论了结构动载荷反演中模型约束问题等因素对反演结果的影响［13］．N．Okubo等用频响函数直接求逆法研究了三种不同实际结构(车床、汽车发动机和空调)的动载荷反演问题［14］．1984年，李万春等在频域内对武装直升机模型的载荷六要素进行反演，并在结构轻度非线性方面给出修正方案［15］．1987年，Stevens详细探讨了动载荷反演问题的发展前景及面临的困难，指出测量噪声、在固有频率附近频响函数的病态和频响函数的测量误差是动载荷反演分析技术发展不快的主要原因;同时，指出测量响应的数目超过待反演载荷数目在一定程度上能减轻频响函数病态和测量噪声产生的误差，频响函数矩阵的条件数、模态分辨率矩阵、数据分辨率矩阵是评价反演结果好坏的一种尺度［1］．随后针对动载荷反演频域分析法的研究，许多学者分析了频响函数矩阵的计算特性，发现在共振频率附近频响函数的条件数较大，直接用(2)或(3)式进行动载荷反演求解，得到的解是不稳定的［1，16］．针对这种现象，一些数学物理反演问题求解理论［17－20］应用于动载荷反演频域分析，将(2)式的求解形式修正为阻尼最小二乘的正则化求解形式，λ是正则参数，L是微分算子，一般情况下取单位矩阵．LiuYi等针对共振频率处频响函数矩阵求逆的不稳定性，以及测量噪声和频响函数矩阵含有测量噪声等问题，建立了基于(7)式的动载荷反演频域求解模型，并提出了基于Morozov广义偏差原理的正则化参数选取方法［21］，选择正则参数．对于随机动态载荷的反演，常用(3)式输入载荷谱的形式进行求解;近年来，根据林家浩教授提出的结构动力学正问题求解的虚拟激励法［22－24］，林家浩、智浩、郭杏林等又发展了随机动态载荷反演的拟虚拟激励法［25－29］，郭杏林等对逆虚拟激励法开展了试验研究［30－31］，李东升等针对逆虚拟激励法在动载荷反演中，共振频率附近频响函数矩阵秩亏现象，提出了动载荷功率谱反演的广义小量分解法［32］，其解的形式与方程(7)类似．至此，动载荷反演频域法研究，已经从理论上解决了在共振频率附近频响函数矩阵为病态，动载荷反演结果不稳定的问题．总的来说，动载荷反演频域分析方法，动态标定简单、便于实现，特别适合于稳态动载荷反演;而对一些短样本的冲击类型动载荷反演存在一定的局限性，这是由于频域分析法要保证频域内有足够的频率分辨率，要求采样数据具有足够的长度，而这类载荷提供的采样数据往往有限;另外，在反演精度方面，频域反演法中模态参数的确定和高阶模态参数的截断也会带来反演误差;另外，频域内反演结果不直观，难以做到实时反演，因此，近年来许多学者由频域法研究转向时域研究．

1．2时域研究进展与频域动载荷反演分析技术研究相比，时域法研究相对较晚，但时域反演结果直观、便于应用，对非平稳载荷、瞬态冲击类型载荷反演具有一定的工程应用价值，受到工程界的青睐，发展至今逐渐形成了以Duhamel积分离散展开为基础的动载荷反演模型［33－45］、基于状态空间形式的动载荷反演析模型［46－59］，另外，函数空间展开逼近方法［60－72］、和现代智能算法［73－76］等，在动载荷反演问题中也有广泛应用，下面对这些方法进行评述．动载荷反演进入时域研究初期，大多是以Du-hamel积分离散展开为基础，建立动载荷反演分析模型，它是建立在求解Volterra第一类积分方程的理论基础之上，下面简述已知位移反演动态输入载荷的计算过程．线性时不变系统的结构动力学方程可写为始条件qr(t0)、qr(t0)，并利用(10)至(11c)式可以求得广义力Qr(tj)，不断重复这一过程可以得到Qr(t)的时间序列．同理，利用广义速度、广义加速度，或三者的混合形式都可得到积分间隔内阶跃载荷的求解形式．针对积分时间间隔内载荷线性变化形式，张运良等推导了基于Duhamel形式的动载荷反演求解公式［40－41］．随着动载荷反演时域分析技术的深入研究，许多学者发现，这种递推迭代格式的动载荷反演分析方法，对初始条件敏感，随着积分步数的增加，存在误差累积．文献［36－38］将动力学求解方程，写为脉冲响应函数与输入动态载荷的卷积形式，建立动载荷的反演求解方程，并引入正则化求解来抑制测量噪声引起的干扰［39］．随着系统辨识技术、控制理论的发展，结构动力学方程的状态空间求解方法也发展起来，在状态空间建立动载荷反演分析模型，也引起了广大学者的兴趣．方程(8)所示的结构动力学方程，可写为如下所示的状态空间形式()+定义为矩阵伪逆，这就是基于逆结构滤波器(InverseStructuralFilter，ISF)载荷识别方程，从形式上建立了测量响应与输入载荷之间的递推求解格式，但矩阵A^往往是数值不稳定的，Steltzner和Kammer并没有直接使用(18a)式来反演输入动态载荷，而是利用(18a)建立了Markov参数的计算格式，进而反演输入动态载荷［50］．为解决矩阵A^的数值不稳定，Allen等对ISF进行改进，提出了DMISF(DelayedMulti－stepISF)［51］;Law等提出了状态空间形式的移动载荷识别方法，并利用动态规划法解决反演结果扰动过大的问题［52］;随后正则化技术、灵敏度分析法等优化求解方法，也应用于状态空间形式的动态载荷反演分析，进一步解决反演结果扰动太大的问题［53－56］．基于函数逼近的动态载荷反演分析，即将输入动态载荷表示为一系列函数或参数的形式，通过确定这些函数或参数，进而确定输入动态载荷［57－66］．最常见的是将结构输入动态载荷，时域上在傅立叶空间展开、空间域上在模态空间展开，通过确定傅立叶级数、或模态空间的系数，进而确定输入动态载荷［57－59］．然而，傅立叶空间展开存在高频截断，模态空间是整个结构全局的空间函数，反映的是整个结构的振动特性，输入载荷往往处于结构的局部位置，并且模态空间函数在结构约束边界处往往为零，这样使得动载荷在模态空间展开具有一定的局限性．Jiang等针对模态函数在结构约束边界为零的现象，将空间分布载荷在Legendre多项式空间展开，并成功应用于Euler梁上空间分布动态载荷［60］和作用于薄板上的空间分布载荷［61］．Liu等针对模态空间展开分布动态载荷的局限性，提出了一种改进的空间分布动态载荷反演方法，将空间局部位置的输入载荷表示为一系列空间正交基函数的形式，通过重构函数系数来确定空间分布动态载荷，并引入正则化技术来解决动载荷反演问题的病态特性［62］．张方等将空间分布动态载荷表示为广义多项式的形式，成功重构空间分布动态载荷［63］．另外，还有学者在时间域上，将输入动态载荷表示为基函数的形式，通过重构基函数的系数进而确定输入动态载荷［64－65］．随着数值仿真技术的发展，一些智能算法如遗传算法、神经网络、蚁群算法等逐渐发展起来，并应用到动载荷反演分析，丰富了输入动态载荷反演分析的求解方法［66］．

2动载荷反演分析技术工程应用及研究难点

动载荷反演分析问题，在理论方面已有许多研究成果，在实际工程中也有一些尝试性地应用［67］，但总的来说动载荷反演分析技术工程应用还不充分，目前还没有形成像结构动力学正问题分析一样被广泛应用的分析工具，为使动载荷反演分析技术在实际工程中得到充分应用，仍有一些难点问题值得我们努力．(1)建立考虑模型误差的动载荷反演分析理论．动载荷反演问题是继系统辨识技术之后，发展起来的结构动力学第二类反演问题．当前的动载荷反演分析理论，大多是建立在系统辨识模型具有较好精度的前提下，讨论测量响应误差，对动载荷反演分析结果的影响．在数值仿真过程中，这种影响可以完全忽略，但要应用于实际工程，不可避免地会碰到系统模型与实际工程存在差异的问题，特别是对一些复杂系统，这种问题会表现地更为突出．(2)发展结构与载荷互相耦合的非线性系统动载荷反演分析技术．当前的动载荷反演分析理论，大多是在线性系统的基础上发展起来的，在实际工程中许多结构系统是非线性的，甚至是与输入动载荷产生耦合．(3)发展在线实时反演技术．动载荷反演分析技术，除了为结构优化设计和结构疲劳寿命评估，提供有效地输入依据外，还可更好地为服务于结构系统实时辨识、结构健康监测、动力学控制等，而在线实时动载荷反演分析技术就显得尤为重要．(4)建立有效地动载荷反演分析结果评估准则．与数值仿真模型相比，在实际工程中，响应测点的数目是有限的，信息缺失造成的不适定问题会更为突出，对通过少量的测量响应反演得到的输入载荷进行正确地评估，也是动载荷反演分析过程中值得关注的研究内容．

3小结