化學反應工程的研究方法范文
時間：2023-08-16 17:39:44
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[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0121-03
化學反應工程是化學工程的一個重要分支和組成部分，以化學反應過程和反應器為研究對象，旨在進行化工反應技術的開發、反應過程的優化和反應器的設計與優化，屬于化學工程與工藝專業的核心課程。[1]本課程涉及物理化學、化工熱力學、化工傳遞過程、優化與控制以及數學、物理等多領域的知識，是集綜合性、工程性和理論性于一體的交叉性很強的一門學科。學生在學習本課程時，普遍感到理論抽象、數學推導繁瑣、工程問題多，不少學生認為化學反應工程是大學中最難學習的課程之一。[2]甚至，很多學生在學完本課程之后，其思維仍停留在繁瑣的計算公式中，不甚清楚所學知識的內在聯系和具體應用。盡管已有很多關于化學反應工程的教學、教改論文，在教學內容、教學方法以及考核方法等方面提出很多有益的建議和措施，但是仍有必要進一步的對化學反應工程的內容進行一個系統的梳理，構建一個明確、系統的知識體系框架，對一些容易混淆的概念、知識點予以廓清，并針對部分知識難點的教學提出一些建設性處理方法。鑒于上述原因，筆者經過多年的教學實踐，結合學生的反饋，獲得一些體會，希望能與同仁們進行交流，提升本門課程的教學效果。
一、構建課程知識體系框架
由于化學反應工程具有內容多、公式多、計算繁瑣的特點，很多大學生在學完本門課程后，留下的印象大多是大量、復雜的公式推導和計算，他們仍十分迷惑從這門課程中究竟學到了什么知識，所學知識有什么用？因此，在課堂教學時要力求避免純粹的繁瑣數學描述，著重進行基本概念、基本理論和工程觀點的闡述。這就有必要構建一個清晰、明確的化學反應工程的知識體系，讓學生清楚課程的核心目標以及不同章節知識點間的內在聯系，并不過多的糾結于復雜的數學計算，方能化繁為簡，更好的掌握本課程的知識。
圖1畫出了化學反應工程課程的知識體系框圖，涵蓋了課程的核心目標、研究對象及其間相互關系和主要章節內容。學習本課程的核心目標是能對化學反應過程進行正確分析，設計和優化反應器。基于此，還可開發新技術和設備，指導和解決反應過程開發中的放大問題，發展和完善反應工程學的理論和方法。工業化學反應總是在一定的反應器中進行，化學反應的特性（化學過程）和反應器的傳遞特性（物理過程）共同作用，影響到最終的反應結果。為了便于學習和研究，將反應特性和反應器傳遞特性分開來進行研究和闡述，在分別研究清楚之后，再進行綜合。這就需要研究清楚兩方面的內容：（1）化學反應特性，主要研究不考慮傳遞過程的本征動力學，屬于每一個化學反應的個性，是影響反應結果的內因，不同的化學反應體系具有不同的動力學表達式。按照參加反應的物相劃分，化學反應可分為均相反應和非均相反應。其中，均相反應的反應速率主要受催化劑、溫度、濃度（壓力）和溶劑特性的影響，在反應體系確定的情況下，其反應速率則可表示為溫度（T）和濃度（C）的函數關系，即：-ri=f（T，C）。而非均相反應總是發生在相界面上，其本征化學反應過程涉及多個界面過程（如：氣-固相催化反應包含表面吸附、表面反應和表面脫附三個串聯過程），其反應速率除受上述因素影響外，還受到反應界面大小的影響，在催化劑確定的情況下，仍可表示為-ri=f（T，C）。本部分內容主要涉及均相反應動力學基礎和非均相反應（多相催化催化）動力學基礎兩個章節。（2）反應器傳遞特性，主要是指反應器的熱量、質量傳遞（在壓力變化不大的情況下，一般不考慮動量傳遞）和返混特性，屬于反應器的共性問題，是影響反應結果的工程因素――通過影響反應器內溫度與濃度分布而改變反應結果。反應器按操作方式可以分為間歇式操作、連續操作和半連續操作。其中間隙式操作的所有流體質點具有同樣的停留時間，而不存在返混問題；而連續操作的反應器根據返混的大小程度則可以分為完全不返混的平推流反應器（PFR）、完全返混的全混流反應器（CSTR）以及介于二者之間的實際反應器。PFR和CSTR中的流體流動狀態是兩種理想的極端情況，稱為理想流動；而偏離上述兩種理想情況的流體流動（不管是否由返混造成）則為非理想流動，對于非理想流動通常通過停留時間分布函數和停留時間分布密度函數，并借助于一定的流動模型來描述其流動特征。本部分內容主要分為理想流動（部分書也稱之為均相反應過程）和非理想流動兩個章節。
反應器的傳遞特性與其中發生何種反應無關，故可以通過冷模實驗來研究大型反應器中的傳遞特征；而化學反應的本征反應動力學特性與反應器的尺寸、形式無關，則可以構建小型熱態實驗研究反應特性。這樣就可以比較容易的分別研究清楚反應器的傳遞特性和化學反應特性。鑒于反應器的傳遞特性會改變反應器的溫度場、濃度場，從而影響反應器內各質點的反應速率，進而又改變反應器內的溫度、濃度分布，二者相互作用、相互影響，影響最終的反應結果。因此，需要綜合考慮化學反應特性和反應器傳遞特性，通過數學模型法，聯立物料衡算式、熱量衡算式、動力學方程、動量衡算式和參數計算式，進行反應過程的分析（包括反應器的熱穩定性），從而設計新的反應器或對現有反應器進行優化。本部分內容主要涉及均相反應器（含反應器熱穩定性分析）和非均相反應器（主要包括固定床反應器、流化床反應器及多相流反應器）各章節?？紤]到我校的化學反應工程教學課時為48學時，關于多流體相反應過程、聚合反應過程以及生化反應過程等章節的內容則不做課堂教學要求，感興趣的同學可以自學。
二、注重方法
關于教學方法在很多教學論文[3] [4] [5]中已有較好的闡述，在這里主要針對本門課程一些難點拋磚引玉的介紹幾個處理方法，希望有助于大學生學習和掌握相關內容，學會將所學知識進行移植、融會貫通。
（三）在化學反應工程中常常會涉及很多優化問題的求解問題
化學反應工程常常涉及串聯反應中間產物為目標產物時的優化操作時間，循環反應器的最優循環比，CSTR串聯反應器的優化組合，以及CSTR反應器的熱穩定性等問題。優化問題求解實際上就是求解極值，慣用的手段就是推導出關鍵函數與關聯操作變量的函數關系式，通過求導并令導數等于零即可求出最優操作條件。這是純粹的數學問題，學生往往覺得抽象、難以理解，并容易因抽象的數學公式而產生厭學情緒。這時，將關鍵函數與關聯操作變量在圖上示意出其變化趨勢，再結合關鍵函數的數學求導進行講解就很容易被學生理解、接受了。
三、知識的銜接與應用
化學反應工程是一門集理論知識和工程應用于一身的課程，貫穿化學工程專業的大學三年級及其以后的整個大學生涯。在化工專業的課程設置和能力培養上必須注重知識的銜接和應用。我校的化學反應工程課程安排在大學第六學期，同步開設了化工專業實驗，其中與本課程緊密相關的實驗主要涉及反應器停留時間分布的測定（包括管式反應器流動特性測定、多釜串聯返混性能測定）、多孔物質（催化劑）孔徑分布及比表面積的測定、甲基丙烯酸甲酯的本體聚合及其聚合反應速度的測定、活性炭吸附法脫除氣體中的有機溶劑蒸汽、煤炭反應性的測定、固體流態化實驗（含流化床干燥實驗）、超細粉體（碳酸鈣）的制備等（上述部分實驗屬于設計性的選做實驗）。通過實驗強化學生對非理想流動特征、反應器停留時間分布特征及其測定方法、反應速率測定方法、多孔介質上氣體吸附特征及其應用、實際反應器等的認識和理解，并能初步創造性的運用所學理論知識進行反應器的操控和數據的處理。第六學期期末即進行為期3周的化工生產實習，其中2周主要在燕山石化的煉油廠和化工廠進行，現場重溫各類實際化工反應器及其操控；1周在校內進行，可在新建的化工仿真實驗室進行石油常減壓蒸餾和催化裂化工段的仿真實習，熟悉各裝置的操控、調節和事故分析、處理，增強工程分析和解決工程問題的能力。每年舉辦的全國大學生化工設計競賽（自2007年開始舉辦，時間為每年的5月-8月）為化工類大學生提供了一個很好的培養和鍛煉創新思維、工程設計與實踐等多方面技能的實戰平臺。近五年來，我?；I學生均組隊參賽，參賽人數比例逐年遞增，今年的參賽人數達整個化工專業學生總人數（指化工專業三年級大學生，個別二年級優秀學生參與體驗但不組隊參賽）的65%。從2014開始，我校開始嘗試將本年度的化工設計競賽題目作為化工專業的專業綜合設計題目，一改使用多年設計題目的陳舊感，緊追化工領域的當前熱點，師生普遍反映效果良好。在化工設計競賽中的一大核心即是反應器的設計和模擬，有助于夯實化學反應工程學科相關知識，并學以致用。課堂教學――專業實驗――設計競賽――專業綜合設計這一系列教學實踐活動保證了化學反應工程知識的強化、吸收和從學到用的銜接。
四、結束語
綜上所述，對化學反應工程的教學除了常規的教學方法的改進外，尚需要從課程本身的特點出發，從第一堂課開始即要構建一個清晰、明確的課程知識體系，避免過多的糾結于復雜的數學計算過程。并且，在教和學的過程中巧妙的利用一些處理方法解決知識難點，起到融會貫通的作用。此外，教學院系在化工專業培養體系和課程設置上要適當注意專業知識內容的銜接和運用，力爭做到學以致用，學以會用。
[ 注 釋 ]
[1] 李寶霞.《化學反應工程》教學改革模式探討[J].高教研究與實踐，2012（4）：33-35.
[2] 茍建霞，解勝利，賈冬梅.化學反應工程教學與改革[J].廣西大學學報（自然科學版），2008（S1）：264-266.
[3] 尹先清，李賡.化學反應工程教學方法探討[J].長江大學學報（社會科學版），2010（5）：32-33.
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化學反應工程是被教育部頒發的《目錄》確定的寬口徑化學工程與工藝專業的四門主干課程之一，也是涉及研究過程工業(即通過化學變化或物理-化學變化制造產品的工業，包括化工、石油、冶金、材料、輕工、醫藥、生化、食品、建材、軍工、環境等) 中生產過程、生產裝置、工藝技術規律的諸多專業重要的必修或選修的技術類或技術基礎課程[1]?；瘜W反應工程既包含化學現象，又包含物理現象，是一門綜合性強、涉及基礎知識面廣、對數學要求高的專業技術學科，學生在學習時普遍感到理論抽象、計算繁瑣，不少學生認為化學反應工程課程是大學中最難學習的課程之一。又加之我校為一所地方性本科院校，學生的基礎知識并不扎實，實驗和實習條件有限，因此，如何在較短的課時數內使學生能夠系統地掌握本課程主要內容，培養學生的工程觀念和創新能力，成為我?；瘜W反應工程教學改革的重點?；诖?，我們在傳統教學方式的基礎上，進行教學改革，引入師生互動教學模式，并取得了一些進展。
1 化學反應工程的主要內容和作用
化學反應工程是化工類專業的一門專業主干課程、核心課程，涉及物理化學、化工熱力學、化工傳遞過程、優化與控制等。主要研究工業規模化學反應過程的優化設計與控制。該課程對于培養學生的工程意識、強化工程分析能力具有十分重要的作用[2]。本課程的基本內容包括反應動力學和反應器設計與分析兩個方面，重點是介紹氣——固相催化反應本征動力學、氣——固相催化反應宏觀動力學、理想流動反應器、反應器中的混合及對反應的影響、氣液反應及反應器和流——固相非催化反應等基本理論。目的是使學生掌握研究工業規模化學反應器中化學反應宏觀動力學的基本方法和基本原理，具備進行反應器結構設計、最優操作條件的確定和最佳工況的分析控制、過程的開發研究和模擬放大的基本能力。
2 化學反應工程教學現狀與存在的主要問題
傳統的化學反應工程教學方式單一，主要是教師在講臺上講，學生臺下聽。課堂教學不具有主體性、創造性、全面性、發展性的行為，其不足之處有以下幾方面：灌輸式過多，參與式過少。教師的啟發式與學生的參與體現得不夠，學生被動聽課，課堂氣氛大多比較沉悶。結論型過多，問題型過少。教師教給學生的都是定論，啟發學生思考問題、提出問題不夠，學生的問題意識和提出問題、研究問題的能力較弱，授課效果不佳。現代教學理論認為，教學是一個雙邊互動的過程。在這一過程中，教師是主導，學生是主體，任何一方的作用都不能忽視[3-4]。所以我們在化學反應工程的教學中，根據地方院校的特點引入了師生互動教學法。
3 互動式教學法在化學反應工程教學中的運用
互動式教學是指在教師的指導下，利用合適的教學選材，通過教與學雙方交流、溝通，激發教學雙方的主動性，拓展學生思維，培養學生發現問題、解決問題的能力，以達到提高教學效果的一種教學模式[5]。這種教學模式需要營造多邊互動的教學環境，在教學雙方平等交流探討的過程中，達到不同觀點碰撞交融，進而激發教學雙方的主動性和探索性，從而提高教學效果?；邮浇虒W常用的方式有多種，本教學改革選擇問題教學法、案例教學法、上課提問、課后互動多種方法進行教學，由傳統的講授式轉向講授與提問、討論相結合的教師與學生雙向交流的啟發式教學。在教改過程中，我們充分發揮互動式教學法的優勢，努力尋找互動式教學與化學反應工程教學的最佳結合點，促進了化學反應工程教學的開展。
3.1問題教學法與案例教學
問題教學法是指圍繞問題展開教學雙方互動。一般為：提出問題—思考討論問題—尋找答案—歸納總結。比如，在講授多級cstr串聯的計算及優化時采用此教學方法。首先提出兩個問題，第一個問題是分析多級cstr串聯的必要性，第二個問題是如何求串聯體系的轉化率。然后引導學生根據平推流和全混流反應器的優缺點和兩種理想流動反應器數學模型的建立方法進行思考、討論；進而利用已學知識點尋找答案，教師最后歸納總結。在講授反應器中的混合及對反應的影響這章時，充分利用案例教學。案例教學一般程序為案例解說—嘗試解決—設置懸念—理論學習—剖析方案。在這一章中利用案例教學，啟發學生學會根據所測得的停留時間分布情況，利用非理想流動模型解決實際工業生產中的操作型和設計型問題。
3.2加強課堂提問
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一、“以學為主”的多樣化課堂教學
龔克指出,[5]大學教育區別于基礎教育的標志之一,應是從以教為主轉變為以學為主。改進以“管灌”為主的培養模式,激發學生的主動求知欲是真正提高教育質量的關鍵。在化學反應工程課程的雙語教學中,我們也在逐漸轉變觀念,采用多種多樣的課堂教學方法,改變完全以教師為中心的講授式教學為多種教學方法并用,以提高學生學習的主動性為目的,著力提高課堂教學效果。下面擬對主要采用的幾種教學方法進行介紹。
1•講授式教學:即教師系統地向學生傳授科學知識。由于本課程采用雙語教學,學生在學習中往往花費較大精力在理解語言、語法上,反而忽視了課程知識,導致學習效果不夠理想。[6]針對這一問題,我們在教學中改變傳統的灌輸式教學,采用多種形象、生動的手段,如大量的圖示、動畫,以圖文并茂的方式進行講解,避開學生在語言方面的障礙,使其注意力轉移到課程知識的學習,引導學生不要過多關注語言、語法,強調英語語言以“用”為目的,提高學生對知識的接受效果。課堂上經常設問,激發學生克服語言障礙從課本中尋找答案的興趣。教學中重視雙語應用實效,根據學生接受知識的程度,逐漸提高英文講授和表述的比例;鼓勵學生多運用英文,從看例題、做習題開始,到逐漸習慣用英文寫作業和考試答卷。
2•互動式教學:即授課過程中教學雙方經常進行交流互動。例如在教學中,教師提供工業反應器范例,由學生自行發現反應器的設計特點并主動質疑,然后全班討論或小組討論,繼而選出學生代表,用英語表達自己對該反應器設計特點的認識和分析原理,最后教師作總結或糾正要點。教師經常選出教材中較為生動的典型章節或例題,提出問題,由學生自行閱讀課本,讓學生帶著興趣學習,引導學生猜讀不熟悉的單詞;以學習課程知識為重點,讓學生自行討論閱讀的內容,最后教師強調這部分內容中的關鍵概念和原理。每次課結束,教師都布置任務給學生,要求學生總結本次課程的內容。下次課上首先抽出幾位同學對前一次課的內容進行提綱挈領的回顧,由此督促學生課下自主復習,及時回顧,保證知識的連貫性,達到溫故而知新的目的。這些互動式教學方法促使學生自主閱讀教材,并運用英語語言表達自己對課程內容認知,取得了很好的教學效果。
3•感知式教學:教學中利用各種方式讓學生直接感知實際的反應器。我們認為,僅給學生講授理論知識,往往很難達到預想的效果,而直接感知對化學反應工程教學具有非常重要的作用。由于反應器是化工工藝過程的核心設備,我校有大量的科研力量投入在反應器設計中,已開發的反應器包括催化裂化、催化裂解兩段提升管反應器及渣油加氫裂化懸浮床反應器等。此外,各科研組用于科學研究的反應器多種多樣,如固定床反應器、流化床反應器、釜式反應器等。在教學過程中,課程組教師創造各種條件,讓學生進入實驗室參觀實際反應裝置,不能參觀實物的,則以生動的照片、圖片來展示,將反應器的特點直觀地展示給學生,讓學生將抽象的理論與實物建立起聯系,顯著提高教學的實效。
4•訓練式教學:即教學注重學生對所學知識的反復實際訓練。目前推進的“卓越工程師培養計劃”中,很注重培養學生的工程設計能力,在化學工程與工藝專業隨后的課程中有專門培養工程設計能力的化工設計課程,其中不可避免地涉及化學反應器的設計。由此,在課堂教學中,我們除了讓學生就每個知識點進行反復訓練,還設計題目,讓學生就多個知識點甚至整個知識體系進行訓練;并設法找到工業實際反應器的數據,例如石油化工過程中涉及的油品催化裂化流化床反應器、乙苯脫氫制苯乙烯固定床反應器、鄰二甲苯制苯酐反應器等,讓學生身臨其境地進行反應器計算或設計的訓練。在教學中,針對具體的教學內容,我們分別采用不同的教學方法,激勵學生充分發揮主動性,并盡力使課程理論與工程實際相結合,取得了較為滿意的教學效果。
二、理論教學與實踐教學充分融合
近年來由于校院兩級投入的加大,我們的實驗和實踐教學條件取得了較大的發展?；瘜W反應工程課程組教師,充分抓住各實踐教學環節的機會,將本課程中的理論融入實踐教學之中。
目前,針對本課程所設置的教學實驗有五個,包括:多釜串聯反應器停留時間分布測定實驗、固定床及流化床的流動特性實驗、管式反應器內的烴類裂解反應實驗、苯酐合成反應過程實驗以及乙苯脫氫制苯乙烯實驗,以強化學生對非理想流動、流體流動示蹤方法、停留時間分布、實際反應器形式以及轉化率、選擇性、反應器換熱方式等的認識。這些教學實驗,為本課程的實踐性教學提供了良好的支撐。進行相關實驗時,我們進一步強化學生所學的理論知識,重溫重要的概念,使學生在實驗過程中切實認識真正的反應器,并運用所學理論知識進行反應器的操控和數據的處理。
我校擁有良好的實踐和實習教學條件?；瘜W工程與工藝專業的學生均要經歷認識實習和生產實習等實踐環節。化學反應工程課程組教師充分利用這些實踐環節,引導學生把課程的相關理論知識與現場實踐相結合。例如在實習中,我們給學生下達任務,了解相關工業反應器的形式,認識其特點,了解其中所發生反應的類型和特點,調研并取得反應器進出物料組成和流量數據,以此進行物料衡算,計算目的產物的收率、選擇性等,使學生對反應工程所學內容有一個回顧,體會到本門課程所學知識在實際工作中的作用,激發學習興趣,實現理論與工程實際的緊密結合。
我校專為化工專業建成了一個仿真計算實驗室,安裝了常減壓、催化裂化、加氫精制等典型的煉油裝置仿真軟件。在配合實習教學的同時,它們可以進一步深化學生對化工反應器的認識。仿真實驗室還安裝了化工設計模擬軟件,為化工設計實踐提供了良好條件。承擔化學反應工程課程的教師,也參與化工設計實踐的指導,從中進一步強化有關反應器設計理論的應用,使抽象的理論體現于具體的工程設計中,讓學生體會到學有所用。很多學生在化工設計總結中感慨地表示:以前學了那么多理論,不知道有什么用,通過化工設計,又將以前的理論知識回顧了一遍,設計出一套實際的裝置,收獲很大,很有成就感!目前,我國推進的“卓越工程師培養計劃”注重提升學生的工程實踐能力和創新能力,[5]本課程理論教學與實踐教學充分融合的教學方案無疑正好吻合了“卓越工程師培養計劃”的總體思路,也是我們進一步努力的方向。
三、教學與科研相結合
科研在高等教育中具有十分重要的地位,要培養創新型人才,建設一支合格的教師隊伍,必須把科學研究作為提高教師素質的關鍵環節。教學工作是教師的天職,而科研對教師學術水平的提高有著積極的促進作用。國內外經驗證明,沒有高質量的科學研究,就不可能建立一支高水平的師資隊伍。沒有高水平的師資隊伍,同樣也不可能有高水平的教學質量和科學研究?？蒲惺翘岣呓處熅C合素質和教學能力的第一促進力。
我校化學反應工程課程組教師均具有較強的科研背景,在煉油工藝和催化領域取得了大量的研究成果,掌握著該領域的最新進展,所承擔的科研任務大多與化學反應工程課程知識有著緊密的聯系。例如,催化裂化兩段提升管反應器就是利用化學反應工程的知識所開發出的新型反應器。已開發的多產丙烯(TMP)技術的中心環節也與非均相催化反應動力學和反應器設計直接相關。教師在科學研究中進行自我完善與發展,通過科研工作促進自我知識結構的更新、知識體系的充實、對知識前沿的把握和對學科知識的理解,為教學內容和教學方法的改革奠定了“能動性”基礎。
有深厚的科研背景,可以保證教師授課中知識傳授的準確性與知識重點的掌握,同時教學中教師會自然而然地把科研中獲取的生動案例結合進來,實現將科研成果向教學內容的轉化。將科研成果融入課堂教學,一方面能有力促使學生掌握較寬的化學反應工程基礎知識,學習化學反應工程的研究方法與思路,了解化學反應工程最新進展及發展方向,另一方面也激勵學生提高創新思維的能力,加強工程觀點、提高分析工程問題和解決工程問題的能力。以下即是科研成果向教學轉化的兩個實例:
實例1,利用兩段提升管催化裂化技術的科研成果,課上給學生講授兩段提升管反應器的設計思路,從反應動力學特性、反應器流動特性等多角度進行案例剖析講解,使學生在理解理論知識的同時,接觸到工業實際反應器設計案例,抓住學生的興趣點,大大提高教學效果。
實例2,我們利用科研中對反應器流動行為示蹤研究的經驗,生動形象地將非常抽象、難懂的非理想流動現象和概念介紹給學生,并利用圖片、動畫給學生演示非理想流動示蹤研究的過程,使學生產生濃厚的學習興趣。
教師們在科研工作中積淀的經典案例和對學科前沿的把握,使學生感同身受地體會到知識的力量,增強了對工程技術科學的崇尚意識,有效地激發了探索和研究的熱情。
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工業規模反應器及其行為特征是化學反應工程所研究的對象，由于其種類多樣，因此，對其進行合理的分類是研究的開始。
一般在第一層次上是按反應系統的“相態”進行劃分的，通常分為均相和多相反應器兩大類。大部分的教材也是按照該特征進行內容編排的，如浙江大學陳甘棠所編的《化學反應工程》、北京化工大學郭錯等所編的《化學反應工程》等，都是遵循這一模式。而多相反應器又可分為兩相和三相反應器，其中兩相反應器包括氣固相和氣液相兩類，三相主要是氣液固三相反應器。
第二層次上的劃分標準則有多種，例如可以按“固體存在狀態”對兩相反應器進行劃分，如對氣固兩相反應器可分為氣固相固定床反應器和流化床反應器;可以按“反應性質的不同”分為氣固相催化反應器和非催化反應器;也可以按“反應器形狀的不同”分為管式、塔式和釜式反應器等，諸如此類，不一而定。又如對氣液固三相反應器，可以按固體在床層中的形態分為固體固定型和固體懸浮型，前者有氣液并流向下的涓流床反應器，液相向下的逆流涓流床反應器和氣液并流向上的填料鼓泡塔反應器;后者則有淤漿床反應器和三相流化床反應器。
通常第一級按相劃分標準在化工業界是有共識的，而次級標準則諸多不一了。圖2粗略地對不同反應器根據不同標準進行了劃分。
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關鍵詞:化學工程工藝;綠色化工;分離技術;超臨界流體
1概述
隨著我國社會經濟的快速發展，各種化學制品已經充斥在我們周圍，成為我們日常生產生活中不可或缺的基本物品。然而，這些物品的原材料生產，都是來自于化學工程與工藝?；瘜W工程與工藝是通過對化學材料的處理，從而實現了化學生產的環保資源的高效優化，生產過程也變得非常完善。尤其是當前，經濟的快速發展也隨之帶來了嚴重的環境污染問題，化學工程與工藝更是要朝著綠色環保的方向發展，尤其是與化學工程工藝相關而且環境問題息息相關的行業，例如石油化工行業、材料化工行業、生物化工行業等，這些都是利用化學工程與工藝的技術來帶動經濟發展的行業，對于我國社會的經濟發展來說，具有非常重要的現實意義。所以利用高新科技實現的化學工程與工藝，不僅有利于科學的發展和進步，而且對于經濟可持續發展來說意義重大。尤其是目前化學工程與工藝正朝著高精化、自動化、數字信息化的方向發展，加強對化學工程工藝的研究是非常有必要的。
2化學工程工藝
化學工程與工藝是涵蓋冶煉、藥物生產、食品加工、材料化工、印刷業等多行業一門科學，其實現是以化學的基本理論知識為基礎的，具有工業特色的技術?；瘜W工程工藝涵蓋了原有化學的理論知識，結合了現代最新的環保思想和理念，對于促進社會的發展、人類的進步、經濟的可持續化來說意義重大。目前環境保護越來越被人們所看重，也是人們在物質經濟條件逐漸優越的前提下追求更高質量生活的體現。而化學工程工藝的相關研究，這實現環保節能、優化工業生產過程、提升社會經濟發展的重要途徑，它的出現，能夠使人們在減能節排的前提下使其經濟利益最大化，也是目前更多企業愿意嘗試和追求的環保生產途徑?？萍嫉陌l展帶動社會的進步，經濟的提升勢必會對自然環境造成破壞，在綠色環保、減能節排的前提下，化學工程工藝勢必為社會可持續發展帶來新的契機，這對于社會發展來說，具有非常重要的現實意義。新型的化學工程工藝與傳統的化工相比，更加注重環境保護，更加看重生產效率，例如綠色化工技術、最新的分離技術以及超臨界流體萃取技術等，都是當前化學工程工藝最新興的生產技術。
3綠色化工技術
綠色環保、節能減排是當前企業工業生產一直看重和強調的生產方式，化學工程工藝中的綠色化工技術，則是對綠色環保的工業生產的最好的詮釋，綠色化學工程又被人成為環境優化化學工程，核心理念就是注重環境保護、降低環境污染、節能減排，從而實現環境污染與企業生產利益最大化之間的最佳平衡，對人類的健康和發展具有非常積極的意義。所以綠色化學工程工藝就是在化學工程過程中原材料選取、催化劑選用以及化學反應過程中都在強調綠色化工的理念，從而從化學工程生產的源頭阻止環境污染，促進廢物利用。
3．1選用綠色化學原料
綠色化工源頭做起就需要對化學工程的原材料入手，通過選擇綠色環保的、無害的化學化學物質作為企業生產的原材料，在根本上減少或消除化工生產的污染物的排放，進而將對環境污染源消滅在萌芽之中。當前，在企業生產中原材料的選取非常重要，尤其是在各種高新科技的快速發展下，各種化工原材料、催化劑、溶劑等都已經能夠加工成無毒無害或低毒少害的化學材料，所以在針對化學工程原材料選取時，盡量選擇使用高新技術生產的無毒無公害的原材料，或者采用天然的植物、農作物或其他很多自然生物作為企業生產的原材料，從而有效地促進化學工程原材料綠色化，從根本上消除自然環境污染源。
3．2選用綠色化學催化劑
在化學工業生產中，很多都需要催化劑來加速整個化學反應的過程，從而節約生產時間成本，提升經濟收益。然而，在傳統的化學工程生產過程中，很多催化劑雖然加速了化學反應的過程，但是在污染物生產和排放量等方面，都對環境造成了很嚴重的污染。目前在綠色化工技術中，大都采用天然無公害的催化劑的開發和使用，在化學工程中，盡量選擇無污染公害或少污染的催化劑替代傳統的污染重的催化劑，從而促進化學反應工程的綠色無公害。目前，部分化學工程工藝研究人員發現一種烷基化固相催化劑，其在促進化學反應的過程中基本上能夠做到無污染物排放，同時能夠加大廢棄物的使用率，這對于企業綠色化工生產來說，將是一個很大的福音。
3．3選擇綠色的化學反應
在企業化工成產過程中，會有很多化學反應，而對于這些化學反應的選擇，盡量提升化學反應的選擇性，從而將化工過程中減少污染排放和能源消耗，使生產物更加純凈化、提取更加便捷。以石油化工生產為例，對于烴類的處理常常選擇氧化處理，這個操作會對生產物造成污染和破壞，所以在石油化工生產過程中，要盡量避免此種反應，通過優化化學反應的選擇性，選擇綠色生產，從而提升整個化學反應的綠色生產過程。
4化工分離技術
在化學工程工藝中，有很多物質都是混合的，對于化工企業的生產來說，是遠遠不能符合生產所需的，那么在化學工程工藝的物質分離技術，則是將物質進行凈化、提純的重要過程，是使物質從雜亂無章、無規律的變化，通過外在作用力，如壓力、重力、溫度、電磁場等作用下能夠有序的轉變的過程，而過程中是需要消耗能量的，而這種過程這是化學工程工藝中的物質分離技術。在化工分離技術中，應用最為廣泛的是蒸餾法，這種方法的實現是通過外在的燃料燃燒對物質進行加熱，通過混合物中不同物質的氣化溫度點，來充分掌握加熱溫度的變化，使得混合物的溫度在預期溫度點進行持續加熱，從而實現對應物質氣化分離。在我國，對于蒸餾分離的技術和工程實現，都已經積累了深厚的理論知識和豐富的應用實踐經驗，為我國的化工也生產做出了不可磨滅的貢獻。但是，蒸餾法整體來說速度比較慢，效率相對較低，所以在化學工程分離技術的實現中，目前推出了各種熱門的物質分離方法和技術，無論是在時間效率上、還是在生產成本上，都能很好地應用在企業化工生產過程中。
4．1膜分離技術
膜分離技術是當前化學工程工藝領域中，實現物質分離技術中比較流行的分離方法，在環保節能、低污染、高效率等諸多方面都表現出優異的性能。膜分離技術是以各種材質的膜作為基本的分離介質，膜的介質可以采用氣體材質、固體材質、液體材質或混合材質，最終構成一個膜兩邊互不連通的界面，根據其自身的滲透特性，在不同的外在作用力(例如重力、壓力、電磁場、滲透壓差)下，實現物質分離。按照膜不同材質劃分，常見的膜有包括支撐液膜、乳化液膜的液體材質膜以及無機材料膜、聚合物膜的固體材質膜，這些膜的材質、特性不同，最終實現的分離過程也不盡相同，有滲透、電滲析、微濾、液膜分離等，這些分離技術和過程在氣體干燥、廢水處理等方面廣泛應用，正式因為膜分離技術效率高、耗能少、工作條件需求低，也逐漸化學工程工藝中分離技術的主體。
4．2吸附技術
在分離技術發展迅速的今天，新型吸附技術也逐漸進入了物質分離工程中，通過變壓吸附、層析、模擬移動長等分離方法，新型的吸附技術也成為了分離技術中的新型技術，在工業制造和化工生產中起到非常重要的作用。
4．3反應分離耦合技術
反應分離耦合技術是提高生產效率、優化化學工程生產過程、降低生產成本中發揮越來越重要的作用。反應分離耦合技術是通過利用物質分離來促進反應或通過物質反應來促進分離的一種化工分離技術，整個技術的應用效率非常高，操作費用也很低。以醋化反應為例，該反應過程就是在精餾塔中進行可逆的醋化反應，利用精餾的反應來分離醋和水，同時逆向反應也能夠加強醋化過程，從而在原料成本等多方面節約成本。
5超臨界流體萃取技術
超臨界流體又稱為SCF，是SupercriticalFluid的縮寫，一般的氣體或液體在溫度或者壓力的持續變化下，達到某個臨界點就會發生氣體到液體的變化或者液體向氣體的變化，但是，超臨界流體是某種流體物質在達到臨界壓力點或溫度點時，如果持續提升外界條件，該流體密度不斷增加，但是并沒有真正發生液化或氣化的現象，此時的物體就成為超臨界流體，該流體既具有氣體的特性，又具有也提到特質，利用超臨界流體來實現物質分離的技術，則被稱為SCFE超臨界流體萃取技術，該技術目前被廣泛應用在食品加工、化學工程和企業生產、生物制藥等諸多領域。SCFE的超臨界流體萃取技術，是對混合物進行施加溫度或壓力的條件，從而使其進入超臨界狀態，進而使萃取物從其中分離出來，實現物質的分離。流體物質在超臨界狀態下，融合了氣體和液體的綜合特性，密度上比氣體大得多，一般與液體比較接近，但是粘性度方面則與氣體接近，比液體小得多，而且超臨界流體自身的溶解度非常高、而且很容易流動和擴散，而且在壓力或溫度的臨界點，能隨著外加條件的微小變化，密度則發生顯著變化，極易實現混合物中萃取物的提取和分離。利用超臨界流體萃取技術，一般是使用流體作為萃取物的溶劑，使其進入超臨界狀態，然后與物料進行接觸，使其中的萃取物溶于流體中，進而實現萃取物與物料的分離，而后降低外在施加條件，如降低壓力或溫度，流體密度發生變化，溶解度降低，萃取物則很容易從流體溶劑中解析出來，從而實現萃取物的分離。利用SCFE的超臨界流體萃取技術來實現物料萃取物的分離，在提取速率、萃取物兼容范圍等方面都非常優異，而且外在條件是通過溫度或者壓強的調節來實現對流體密度、溶解度的控制，從而能夠有效地實現萃取物的分離，而且提取萃取物的純度非常高，對于化工生產來說非常重要。其次，流體溶劑的選擇一般選擇二氧化碳流體，這種低溫、無氧環境的操作可以有效地分離熱敏或容易氧化的物質，此外，SCFE技術的實現，可以從固體或中液體中快速提取有效地萃取物成分，整個過程無污染、耗能少，而且對于有機物的分離提取和精致都有非常顯著的功效。
6總結
化學工程工藝是目前涵蓋冶煉、藥物生產、食品加工、材料化工、印刷業等多行業的專業學科，其實現的專業技術對于企業的生產來說具有非常重要的現實意義。在化學工程工藝中，常見的技術有綠色化工技術，該技術是從原材料、催化劑以及化學反應的過程中選取綠色無毒無公害的物質和反應選擇性來提升化工的低污染率，分離技術則是通過蒸餾分離、膜分離等分流技術來實現的化工材料的分離，超臨界流體萃取技術則是采用超臨界流體對物料中萃取物的提取，通過改變外在條件來實現萃取物的提取，從而實現物質分離。這些化學工程工藝都在為企業的生產、化工過程等起到非常重要的作用，為促進我國的經濟發展奠定了良好的技術基礎。
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篇6
超臨界流體技術一般是控制溫度和壓力的條件下，或者加入其他物資的情況下改變體系的傳質系數、傳熱系數及化學反應特征的，這能更加高效清潔地進行化學生產，有的在超臨界的狀態下能節省能耗，所以超臨界流體技術也被稱為超級綠色化學技術。超臨界液體技術（SCF）現在廣泛應用到了材料制備中。早在上世紀九十年代該技術就已經開始應用，把二氧化碳制備成超臨界的狀態，以它為介質來制取特氟龍；還有聚丙烯工藝中也應用了SCF技術，利用丙烷的特點來做稀釋劑，該技術也是做PE的升級版。當下，超臨界流體技術則更多地應用在了高分子材料，復合材料，不易粉碎的無機物材料，以及提取不太容易溶解在單一超臨界液體中的有機物?，F在應用的超臨界流體技術的方法主要有一下幾種：
1、快速膨脹法，該方法主要用于固體顆粒狀的物質的制備；
2、壓縮抗溶劑發，主要用于制備微孔、微球類的物質，所以在藥物分子及聚合物共沉上應用較多，也較成熟；
3、抗溶劑法，通常該方法會應用在制備爆炸性物質和不溶于單一超臨界流體的有機物上等。除了以上在制備材料方面的突出貢獻，超臨界流體技術還在分析化學中大展拳腳。它與色譜技術相結合，能在色譜研究中得到比氣象色譜更高效，比液相色譜更精準的超臨界流體色譜。更由于它的高效和低成本使得超臨界流體技術在石油化工、環境保護還有醫藥化學等多個領域得到廣泛使用。
2綠色化學工程技術的應用
綠色化學指用化學的技術和方法，再結合其他學科的知識來減少或者消除化學對于人類的危害、社會的危害以及環境的危害。從源頭的原材料開始，到生產過程中的試劑和介質還有催化劑，到最后的產物及副產物都要求綠色、環保、無毒害，還有就是“原子經濟性”的“零排放”。像在綠色無毒原料控制方面，石油化工原料就可以改變成生物原料的。制作尼龍可以不用含苯的石油化工原料，改成生物原料，生物原料的淀粉及纖維素等在酶催化反映下也能形成己二酸，這樣一樣可以制作尼龍，而且對人體和環境都危害極小。再比如在反應過程中對介質、溶劑等的控制，也要求無毒無害，在有機反應中水就是很好的溶劑，不僅對環境無害還能節省到有機反應中的官能團的保護還有去保護等環節，所以也省工藝省時間了。還有反應中用的綠色催化劑，綠色催化劑能更加正對性，更加高效地參與化學反應，并且得到的副產物少。在有機合成反應中，綠色催化劑的應用顯得尤為重要。像不對稱合成反應中，催化劑不僅為化學農藥和精細化工提供反應需要的中間體，有的還能為反應提供綠色的合成技術。比如酶催化反應、氫酯化反應、還有不對稱酮反應等。
3化學工程技術中的傳熱研究
化學反應中傳熱的研究是化學工程的重要內容，因為它嚴重影響著一個反應的能耗，反應的進程等。在微細尺度傳熱研究中，由于尺度微細，原有的傳熱假設及會發生變化，其流動還有傳入的規律也會發生變化。目前在納米、微米、集成電子設備還有微型熱管領域中該傳熱研究交深入，取得了較不錯的成果。而我們在改進傳熱工藝和設備上也做足了研究，為了提高傳熱效率，我們可以改進設備的性能，使其持續對外傳熱的能力提高，改變里面的傳熱材料和工藝的設計來實現傳熱的效率。然而我們現在投入很多精力的滴狀冷凝技術的研究還沒能取得很好的成果。由于我們不能在維持物質在滴狀的時候冷凝，同時冷凝表面壽命延長,所以目前這個難題還很難突破。還有就是我們在計算沸騰時的傳熱存在很多弊端，復雜的沸騰狀態不適用目前所有的傳熱計算方式，就研究沸騰傳熱的計算方法也是一大塊難題的，所以就滴狀傳熱技術的研究也將會是我們傳熱研究領域的一個重要課題，如果該研究獲得進展必將改變現在很多的化學生產工藝形式，將會帶領化學生產進入一個新的時代。
4結語
篇7
殷金玲 景曉燕 王君 哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院
基金項目：哈爾濱工程大學基礎課程教學改革研究計劃建設項目002100020632。
摘要：針對面向非化學化工專業學生開設的普通化學教學中存在的問題，通過重點利用學生所學專業與普通化學的結合點，配合
一定的其他的課堂教學方式來激發學生學習普通化學的積極性。
關鍵詞：普通化學；專業；交叉性
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號
一、普通化學教學中存在的最大問題的分析
目前許多大學里的普通化學基本上都是面向非化學化工專
業的學生開設的，大部分學生認為化學與自己將來的專業和就業
沒有什么關系，在某種程度上致使很多學生是在被動的學習普通
化學，主要就是為了考試能夠通過或者取得高分為自己的獎學金
的獲得做個準備而已，而這種被動就造成了學生的學習積極性大
大降低。那么如何提高非化學化工專業學生學習普通化學的學習
興趣就成了許多普通化學教師面臨的最大問題。
二、針對學生專業與普通化學的交叉性方面采取的措施
1.了解學生所學專業
每位普通化學教師在接到教學任務后都需要首先整體了解
一下授課對象是那個系的？學哪個專業的？這樣才能有的放矢，
為下一步工作做好準備。
2.深入調查收集整理學生所學專業的特點和培養目標及往年
就業去向
在了解了授課對象的所在院系和所學專業后就需要針對其
專業等信息開始進行下一步的調查工作，以我校學生所學專業為
例，比如船舶與海洋工程專業，其專業培養目標是培養船舶與海
洋工程結構物研發、設計、建造、檢驗、管理、教育等高層次專
門人才。該專業畢業生主要就業去向是到與船舶和海洋工程有關
的公司及國家各部委機關，以及沿海、沿江各船舶設計院、研究
所和造船骨干企業工作。再比如：核工程與核技術專業的專業培
養目標是培養能在相關領域從事核工程與核技術研究、設計、生
產、運行和管理的專門人才。就業去向主要是一些國內的核電站
和核工業的研究院。還比如：環境專業的專業培養目標是培養能
從事廢水、廢氣、固體廢棄物等污染物的防治技術研究、設計、
應用和開發工作的高級工程技術人才。本專業畢業生就業面較
廣，對于我校畢業生相對集中的就業單位有各大船廠，沿海各大
型企業的水處理公司，建筑設計院等。
3.針對收集的信息尋找與普通化學授課內容相關的交叉點，
并靈活應用于課堂教學中
針對船舶與海洋工程專業的學生我們在講電化學基礎這一
章節的內容時首先就提出一個問題：大家的專業都與船舶有關，
而我們知道船體相當一部分與海水接觸，海水對船體的鋼鐵具有
較強的腐蝕性。那么這種腐蝕在化學上屬于哪種腐蝕呢？如何在
實際中采用什么樣的方法來防止或降低這種腐蝕呢？這個問題
直接與他們的專業相關了，學生自然興趣就提上來了。然后在講
金屬的腐蝕時，讓學生們知道這種腐蝕是電化學腐蝕，而針對這
種腐蝕常采用的方法有：陰極保護法（又包括犧牲陽極保護法和
外加電流陰極保護法），陽極保護法，緩蝕劑法，金屬表面覆蓋
層等方法。有時大家去船廠會發現在船下面掛著一個鋁塊或者鋅
塊之類的東西，這是應用了哪種方法呢？還有時會看到許多工人
在船體表面進行涂裝，這又是應用了哪種方法？在這些學生感興
趣的問題的引導下讓學生由被動學習變為主動學習。
針對核工程與核技術專業的學生在第一堂緒論課中就可以
給他們舉一個和他們專業密切相關也是他們這個專業非常在意
的一件事：切爾諾貝利核事故。他們可能在選擇這個專業時已有
耳聞這個核泄漏事故，但是對于這起事故的真正起因未必知道。
而這起事故的真正原因不是核爆炸，而是一種化學反應釀成了重
大的損失。然后給學生介紹這次事故的前因后果：在進行4 號反
應堆電能功率安全測試的過程中，操作人員有意切斷了通向核心
區域的冷卻水流，當然這個操作是測試的一部分，而且操作人員
在反應堆中留下的控制棒數目不夠，蒸汽壓很低又難以提供冷卻
劑。這一系列的操作致使整個反應堆功率劇增，產生巨大的熱量，
燒塌了燃料芯堆，而釋放出的灼熱的放射性核燃料顆粒與用作冷
卻劑的水接觸發生爆炸。這個過程中反應堆中用來使中子減速的
石墨起火燃燒，流到著火的石墨上的水又與石墨發生化學反應產
生氫氣，氫氣和空氣中的氧氣發生化學反應而爆炸。這個化學反
應的爆炸卻掀翻了覆蓋在反應堆上的鋼板?？梢妼τ诤斯こ膛c核
技術人員掌握化學知識是必須的。
針對環境專業的學生而言，同樣在緒論課中就可以讓他們知
道化學與他們的專業是密不可分的，比如為了將普通化學主要內
容串接起來，可以給他們舉個環境問題的例子：汽車因大部分使
用汽油內燃機，會產生一氧化碳和一氧化氮等有害物質污染環
境。如果我們能夠讓NO 和CO 在排放到大氣前就反應生成N2 和
CO2，就可以大大降低對環境的污染。那么：①這個反應能夠發
生嗎？（即化學反應方向問題）②如果該反應能發生，那么會有
多少的NO 和CO 轉化為N2 和CO2 呢？（即化學反應限度問題）
③同時我們知道對于每一個反應化學反應發生時都會伴隨著吸
收和放出熱量的現象，那么該反應過程中能量是如何變化的呢？
（即化學反應能量變化問題）④這個反應若能發生，這個反應是
進行的快呢還是慢呢？（即化學反應速率問題）⑤這個反應的反
應機理如何？而對于機理的分析比較復雜，首先我們需要了解物
質的微觀結構的問題。（即物質的微觀結構問題）。這樣既可以
將普通化學的整體內容安排與實際問題的解決聯系起來，更讓學
生了解要解決這樣的一個環境問題必須要應用化學的知識。同時
針對環境專業的學生授課時更應該增加一些綠色化學知識的介
紹。
三、其他課堂教學措施的配合
除了抓住學生所學專業與普通化學的結合點外，還要注意其
他的一些課堂教學方式，如：將化學與學生日常生活中遇到的一
些具體事例聯系起來，即用普通化學學過的知識來解釋一些實例
和現象；在課堂上引入一些著名化學家的人物介紹和相關一些理
論的發展史，像故事一樣介紹給學生，既吸引了學生的注意力，
又加深了對基本理論知識的理解；課堂上適當設有部分課堂演示
實驗和演示實驗錄像的環節，讓學生從實驗中總結出化學的基本
理論和規律，同時也讓學生深刻了解化學這門學科的特點；注意
利用問題的引入來啟發學生的思維空間，并且加強訓練學生的歸
納總結能力，進一步強化教學效果等。
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篇8
關鍵詞：化學工程工藝 綠色化工技術 應用
前言
隨著我國工業科技的進步，人們對化工材料的要求越來越高，例如節能性、環保性等方面的要求不斷提高，近年來，我的能源及環境因為工業的發展帶來了嚴峻的挑戰，特別是近幾年，我國的環境污染問題及能源消耗問成為備受關注的領域，我國化工研究人員也在重點研究關于不可再生能源的保護問題、生活垃圾的處理問題及工業污染物的合理排放問題。眾所周知，在化工工程工藝中，很多有害、有毒的物質會被產生，如果這些物質處理不當，便會排放到大自然中，久而久之會對生產平衡起到嚴重的影響，綠色化工技術是提高化學工程工藝的先進技術，化工材料對生態環境的污染問題可以有效解決，提高化學工業的能源利用效率。本文將重點對綠色化工技術在化學工程工藝中的應用展開深入研究。
一、綠色化學技術的發展
在傳統化學生產過程中，很多有害、有毒的物質會被產生，嚴重的滯后性使得化學工程工藝長期處于被動的生產狀態下，因此，這種傳統的化學工程工藝無法得到資源優化的目的，對于污染物的處理工程效果較差，污染物處理效率低下，同時提高了對化學污染物處理的成本。而綠色化學技術的出現，可以有效解決傳統化學工程工藝中對污染物處理的問題，可以通過先進的技術，對污染物進行脫硫、除塵等方面的處理，具體實施方法如下：
1.采用綠色化學原料
在化學工程生產過程中，其流程及工藝直接由化學生產原料決定。在傳統化學工程中，大多數采取的生產原料是不可再生的能源，選擇這種化學材料增加了污染物質的排放量，同時增加了我國對不可再生能源的消耗量，因此，化學工程工藝中，選擇綠色的化學原料是重點研發的領域，例如使用苞米桿、蘆葦等農副產品廢棄物，便是典型的綠色化學原料，這些物質無污染，直接投入化學生產中，可以直接轉化成醇、 酮、 酸類的化學品，不會產生任何有毒或有害其物質，只會產生氫氣等物質。
2.提高化學反應的選擇性
化學原料通過化學工程工藝，產生相應的化學反應，產生相應的化學品，因此，在化學工程中物質反應的重要組成部分便是化學反應，在提高化學工程的生產效率及生產質量時，利用合理、有效的化學反應途徑意義重大。反應環境、原料、時間、特點等因素都會影響化學反應。在化學工程中，氧化反應是最常用的反應形式之一，在整個反應過程中會產生大量熱，很多化學原料會因為熱催化產生變質現象，這也是直接導致化學品生產質量低下的主要原因。而新型反應形式―烴類氧化反應可以增加生產物的同分異構反應時間，同時提高催化物反應催化能力。
二、綠色化工技術在化學工業中的應用
1.清潔生產技術
輻射熱加工技術、臨界流體技術、綠色催化技術等無毒、無害、無污染的綠色化工技術統稱為清潔生產技術。該項技術可以廣泛應用于冶金、印染、垃圾處理等各個行業。此外還有很多先進的脫硝脫硫技術、煤氣化技術及利用風能太陽能燈自然發電技術也都利用清潔生產技術。例如，在海水淡化技術的應用中，有效利用了我國海水資源，將海水中的鹽與水的成分分離，在處理過程中不會對環境狀態產生任何不利影響，還能有效解決我國淡水資源匱乏的現狀。此外，海水淡化處理工藝所產生的氫氧化鎂等物質的處理工藝成本低廉，工藝簡單，并且 不會產生二次污染，因此此項技術未來發展的前景非常廣泛。
2.生物技術
生物技術主要應用于化學仿生學及生物化工兩個方面，其中技術范疇主要包括細胞、基因、微生物等。作為一種高效、轉移性強的生物體內催化劑――生物酶，可以廣泛參與到各個生物化工的合成過程中。另外，膜化學技術也是化學仿生學中被廣泛應用的生物技術。通過生物技術可以使再生資源合成化學品，這是綠色化工技術經常沿用的方式。動植物中提取的有機化合物原料或石油、煤炭等作為原料都是綠色化工技術的原料。例如，在綠色化學工程工藝中，制備丙烯酰胺，可以利用自然界中的酶替代丙烯腈催化合成丙烯酰胺后，這樣可以將能耗大大降低，并且沒有污染環境的物質產生。與化學催化劑中的工業酶相比，自然界中的酶做催化劑更加環保，無污染，其反應條件相對較為溫和，產物的性質也優良。
結束語
綜上所述，在傳統的化學工程工藝為人類創造了豐富的物質基礎和能源，但是其生產過程中產生的殘留物給環境污染產生了眾多問題。綠色化工技術的出現對我國化學工程工藝產生了積極的影響，大大減少了化學產品生產加工過程中產生的有毒、有害物質，對我國整個化工產業及環保事業意義重大，能夠真正實現綠色環保、節能減排的目的，是當今化學工業發展中的重要環節。
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篇9
摘要：
對用做鈍頭體高超聲速飛行器熱防護的碳/酚醛復合材料在典型服役環境下的燒蝕機制進行了研究，建立了燒蝕過程的數學模型。利用有限元方法實現數學模型的求解，預報了冷壁熱流4002kWm、焓值51MJkg的氣動熱環境下碳/酚醛材料的燒蝕行為。對于20mm厚度的碳/酚醛材料，受熱過程中碳化層深度持續增加，100s時刻表面溫度達到1405K，背壁溫度為497K，孔隙熱解氣體壓力達18.1atm。本研究為具有長時間大面積熱防護需求的高超聲速飛行器的熱護設計提供了有力支持。
關鍵詞：
碳/酚醛；熱防護；多物理場；燒蝕；有限元
碳/酚醛復合材料作為一種輕質強韌化防熱材料，具有防熱效率高、防隔熱一體、抗剪切能力強、燒蝕后退量小等特點，主要用于鈍頭體熱防護[1]。由于占飛行器較大比重，其冗余設計對于整個飛行器的質量控制有關鍵作用[2]。準確的掌握碳/酚醛復合材料燒蝕特性能夠解決過度冗余或防熱設計可靠性不足的問題[3,4]。熱防護材料在燒蝕過程中通過自身溫升、表面材料相變、化學反應等吸收能量以達到防隔熱的效果。Beacher,S.J.等[5]建立了普遍的熱化學燒蝕模型。J.B.Henderson等[6]研究了聚酯基防熱材料服役環境下的基體熱解與熱變形過程，并采用一維模型計算材料燒蝕過程中的溫度、熱解氣體壓強等參數的動態變化過程。Hogan等[7]利用控制容積法解算了軸對稱模型的能量傳遞方程，并利用非結構化動網格模型獲得了材料燒蝕過程中的表面后退率。
陳海龍等[8]基于體積燒蝕條件下的三維多物理場耦合控制方程預報了高硅氧/酚醛復合材料在酚醛樹脂熱解反應過程中的溫度場、位移場、孔隙壓力以及樹脂殘留率等熱力學響應。李瑋潔等[9,10]研究了發生表面后退的碳化燒蝕體的非線性熱解層模型。由于現代設計和分析工具的飛速發展，如ProEngineer等工程軟件允許可建立復雜的幾何模型，NASTRAN和PATRAN等分析工具使復雜結構體的熱分析更容易實現[11,12]。但是，目前尚無能進行高精度燒蝕熱響應分析的工程軟件。有一些可用于燒蝕分析的計算代碼如CMA[13]和FIAT[14]等，但他們都是基于一維有限差分法，并不兼容現代設計工具。本文研究了中低熱流密度下碳/酚醛材料的防熱機制，建立了其燒蝕模型，并借助于有限元軟件預報了其燒蝕行為。
1碳/酚醛復合材料的防熱機制
碳/酚醛主要用于鈍頭體的大面積熱防護，其典型服役環境為：以對流換熱為主的中低熱流環境(0.1~1.5MW/m2)、中等焓值(5~15MJ/kg)。在此服役環境下，假設增強相在高溫下不發生化學反應，即固體材料表面不發生后退。則碳/酚醛防熱材料的能量耗散機制包括：（1）材料表面熱輻射；（2）固體相的溫升吸熱；（3）孔隙內熱解氣體的溫升和膨脹吸熱；（4）基體熱解反應吸熱；（5）材料表面高溫熱解氣體引射；（6）質量引射引起“熱阻塞”效應。碳/酚醛燒蝕材料的燒蝕過程是極為復雜的，是一個固體傳熱、傳質和化學反應等多物理場同時變化而且相互耦合影響的過程。各場之間的耦合關系具體如下：固體熱傳導決定的固體溫度影響樹脂材料的高溫化學反應速率，反之，熱解反應產生熱效應以及伴隨的酚醛樹脂的熱物理性質變化影響固體熱傳導過程。固體溫度分布的變化影響孔隙內熱解氣體的溫度壓力等參數變化，反之，熱解氣體的在固體孔隙內的對流換熱以及材料表面的引射作用影響固體內部分布以及表面熱載荷的阻塞效應。熱解氣體的溫度壓力對于反應速率有直接影響，反之酚醛樹脂高溫化學反應產生的熱解氣體是質量傳遞過程的質量源。
2燒蝕過程的數學模型
分別從能量和質量傳遞的角度對燒蝕模型進行分析。研究材料的表面能量平衡關系、熱解氣體傳質過程、熱化學反應速率、能量傳遞過程。全面建立描述燒蝕過程的數學模型。
2.1表面能量平衡根據表面能量平衡關系，建立材料的表面能量平衡方程。
2.2熱解氣體傳質過程材料燒蝕過程中，基體高溫反應生成了熱解氣體，熱解氣體在固體相的孔隙中擴散，這里從質量守恒原理出發，推導氣體相的擴散控制方程。
2.3熱化學反應速率樹脂基體在高溫下發生熱解反應，假設基體由多種組分組成，而任一組分的熱解反應速率可由Arrhenius動力學反應方程表示，若第k種組分的反應級數為。
2.4能量傳遞過程與非燒蝕材料不同，燒蝕材料內部的能量傳輸通過兩種方式進行—傳導傳熱和傳質傳熱。同時，由于熱解反應過程中伴隨著化學能的轉化，反應發生前后物系焓值不守恒?？紤]化學反應的焓變效應，微元體的能量平衡方程。
3碳/酚醛復合材料的熱物理性質
通過實驗手段和調研資料可以獲得原始材料和完全碳化材料的密度、孔隙率、滲透率、熱導率、熱容等參數隨溫度變化的熱物性參數[15]。燒蝕材料固體相的熱物理性能是隨溫度、碳化程度不同而實時變化的，而我們難以測量這些參數的實時變化特性，因此需要采用合理的熱物理性能變化模型。
4算例
本文借助于COMSOLMultiphysics軟件，利用有限元法對描述燒蝕過程的控制方程進行求解。預報厚度為20mm的碳/酚醛材料在模擬熱環境下的燒蝕過程，熱環境參數與模型的初始條件和邊界條件如表1所示。圖1~圖3分別給出了碳/酚醛材料不同時刻的溫度分布、熱解氣體壓力分布和熱解程度分布云圖。由圖1可知，碳/酚醛材料表面溫度隨著加熱時間持續升高，但表面溫升速率降低，100s時刻表面溫度為1405K。背壁溫度在加熱前期緩慢升高，而后溫升速率逐步加快，100s時刻背壁溫度達到497K。根據圖2，材料的基體相發生熱解反應生成大量的熱解氣體，雖然熱解氣體通過表面不斷逸出，但由于熱解反應的持續進行和材料內部的溫度的升高，材料孔隙中的熱解氣體壓力仍然持續增大。100s時刻熱解氣體的最大壓力達到18.1atm。由圖3可知，靠近受熱面的碳/酚醛材料溫度較高，很快發生完全熱解形成碳化層（熱解程度=0），背壁附近的材料溫度較低，幾乎未發生熱解反應，為原始材料層（熱解程度=1）。碳/酚醛材料受熱過程中，碳化層深度持續增加，原始材料層厚度持續減小。
5結論
篇10
在材料科學與工程專業的本科教學工作中，本科學生在高年級就開始學習材料科學與工程專業的基礎課程和專業課程。其中在材料科學與工程專業課程教學中，在講述材料的制備工藝方法中講述過原位反應自生法制備復合材料。原位反應自生法是制備金屬基復合材料，金屬陶瓷復合材料，以及金屬間化合物/陶瓷基復合材料的主要方法。原位反應自生法是在一定條件下通過化學反應在基體內原位生成一種或幾種增強相從而達到強化的目的。這種方法可得到增強體顆粒尺寸細小，熱力學性能穩定，界面結合強度高的復合材料，是一種很有前途的顆粒增強復合材料制造工藝。原位反應自生法制備復合材料由于具有可以達到凈近尺寸成形的優勢，所以能夠廣泛應用于工程領域中。在材料科學與工程專業的本科課程教學中，在材料加工工程和材料制備方法中都講述過原位反應合成技術。此外還可以將原位反應自生法制備復合材料作為一項實驗教學內容安排學生進行實驗，使學生認識和了解原位反應自生法制備復合材料的工藝過程。所以原位反應自生法制備復合材料在材料科學與工程專業教學實踐中得到廣泛的應用。本文首先講述原位反應自生法制備復合材料的原理和制備工藝過程，并講述原位反應自生法制備復合材料在材料科學與工程專業教學實踐中的研究和討論。并對原位反應自生法制備復合材料的未來發展趨勢進行分析和預測。
二、原位反應自生法制備復合材料的原理和制備工藝過程
為了克服傳統方法制備的復合材料存在增強體顆粒尺寸粗大，熱力學不穩定以及界面結合強度低等缺點，出現了原位合成技術，即在一定條件下通過化學反應在基體內原位生成一種或幾種增強相從而達到強化的目的。原位自生法是通過原料粉末中的某些化學反應生成所需要的反應產物并通過熱壓燒結工藝制備出復合材料試樣。原位反應自生法可得到增強體顆粒尺寸細小，熱力學性能穩定，界面結合強度高的復合材料，是一種很有前途的顆粒增強復合材料制造工藝。目前報道的原位合成技術主要有原位反應熱壓燒結技術，原位復合技術，定向氧化技術，熔體浸漬技術，反應結合技術及自蔓延高溫合成技術等。定向氧化合成技術是利用放熱反應在金屬或金屬間化合物基體中原位分散金屬間化合物或陶瓷顆粒或晶須的原位復合技術。原位自生法是通過反應物之間的反應生成所需要的反應產物并通過熱壓燒結工藝實現致密化。原位合成法是利用化學反應在原位生成補強組元-晶須或長徑比較大的晶粒來補強基體材料的制備工藝。原位合成法主要具有如下優點：簡化工藝，降低材料成本，實現特殊顯微結構設計和獲得特殊材料性能，具有很好的熱力學穩定性。金屬間化合物/陶瓷基復合材料的制備方法主要有原位復合技術和定向氧化技術以及原位反應熱壓燒結工藝?？梢圆捎迷环磻獰釅簾Y工藝制備金屬間化合物/陶瓷基復合材料。原位復合技術是由于金屬間化合物反應的形成熱相對較低，因而采用自蔓延燃燒時系統不易達到較高的絕熱溫度，故一般采用原位復合技術制備和合成復合材料。原位復合技術是利用放熱反應在金屬或金屬間化合物基體中原位分散金屬間化合物或陶瓷顆?；蚓ы毜脑粡秃霞夹g。傳統的方法是將粉末壓坯在恒定速率下加熱到可使反應自發的產生并在整個混合物中處處發生反應。定向氧化技術是定向金屬氧化工藝可用于制備金屬基復合材料。原位反應熱壓燒結工藝是將原位反應和熱壓燒結工藝相結合制備致密的復合材料。
三、原位反應自生法制備復合材料在材料科學與工程專業實驗教學中的研究和應用
原位反應自生法主要用于制備金屬陶瓷，金屬間化合物，金屬間化合物/陶瓷復合材料等。在材料科學與工程專業的教學課程中，其中材料加工工程和材料制備與合成方法講述過原位反應自生法。原位反應自生法同粉末冶金技術和液相燒結技術一樣都是材料制備技術。原位反應自生法同樣是熱加工工藝，原位反應自生法涉及到反應物高溫化學反應制備產物的過程。在材料科學與工程專業課程的課堂教學中，在有些專業課程中原位反應自生法只是作為了解，對于原位反應自生法制備復合材料的具體內容和制備工藝步驟的研究和應用了解很少。所以就需要在材料科學與工程專業的實踐教學課程中增加一些關于原位反應自生法制備復合材料的實驗課程。通過原位反應自生法制備復合材料的實踐教學活動可以使學生認識和了解原位反應自生法制備復合材料的原理，制備工藝過程以及對經過原位反應自生工藝后得到的金屬基復合材料燒結制品的物相組成，顯微結構和性能進行研究，使學生通過對復合材料的制備與研究過程可以加深學生對材料科學與工程專業課程學習的認識和了解。對于本科學生的教學實踐課程，可以在本科學生的本科專業課程設計和本科畢業設計過程中安排采用原位反應自生工藝制備金屬基復合材料和金屬陶瓷復合材料的教學內容。例如采用原位反應自生工藝可以制備金屬陶瓷復合材料，先將金屬陶瓷粉末通過壓力成型工藝制成坯體，并通過原位反應自生工藝和高溫燒結工藝制備金屬陶瓷復合材料。高溫燒結工藝可采用常壓燒結工藝，熱壓燒結工藝和放電等離子燒結工藝以及熱等靜壓燒結工藝。采用原位反應合成工藝可以制備金屬間化合物/陶瓷基復合材料，通常先將金屬間化合物粉末和陶瓷粉末通過壓力成型過程在一定壓力下壓制成具有一定形狀和致密度的預制件，通過原位反應自生法和高溫燒結工藝形成金屬間化合物/陶瓷基復合材料。高溫燒結工藝可采用常壓燒結工藝，熱壓燒結工藝和放電等離子燒結工藝以及熱等靜壓燒結工藝。有時將原位反應自生法和熱壓燒結工藝相結合制備致密的復合材料燒結塊材。通過實驗教學過程使學生認識和了解到原位反應自生法制備金屬陶瓷復合材料的制備工藝過程，提高學生對專業課程學習的認識和了解。使學生通過實驗教學認識和了解了原位反應自生工藝制備復合材料的制備工藝原理，使用方法和制備過程，以及對得到產物的物相組成和顯微結構進行分析和測試。原位自生法可以制備金屬基復合材料，金屬陶瓷復合材料等。采用原位反應自生法可以制備顆粒增強的金屬基或陶瓷基復合材料。
原位反應自生工藝制備復合材料涉及到反應物在高溫下發生化學反應生成反應產物的過程，原位反應合成技術操作過程比較簡單，對設備要求較低，只需要高溫燒結爐，可以進行現場操作，因此可以作為本科學生的實驗課程教學內容，可作為材料科學與工程專業課程的輔助教學實驗，也可以作為本科專業課程設計和本科畢業設計教學內容。使學生通過實踐教學來加深對材料科學與工程專業課程的認識和掌握。使學生認識到金屬基復合材料的制備過程以及金屬陶瓷復合材料的制備過程等，并使得學生對原位反應自生法得到的燒結制品進行分析和測試，使學生對材料的分析和檢測水平有較大的提高。對于拓展學生的知識面有很大的幫助。為本科學生以后的本科專業課程設計和本科畢業設計打下堅實的實驗基礎。
四、原位反應自生法制備復合材料的未來發展趨勢和應用
原位反應自生法制備復合材料在材料科學與工程領域有著廣泛的研究和應用。原位反應自生技術由于制備工藝簡單，成本較低，對設備要求較低，只需要高溫燒結爐，所以被廣泛的應用到金屬基復合材料，金屬陶瓷復合材料，金屬間化合物/陶瓷基復合材料等的合成與制備中。利用原位反應自生法可以開發新型的金屬基復合材料和金屬陶瓷復合材料以及金屬間化合物/陶瓷基復合材料。采用原位反應自生技術可以開發出很多種類型的金屬基復合材料和金屬陶瓷復合材料。所研究和開發的材料種類也逐漸增多，應用范圍也越來越廣泛。原位反應自生技術在材料科學與工程專業教學與實踐中也得到廣泛的推廣和應用，原位合成技術已經成為材料科學與工程專業實踐教學課程進行的實驗內容。所以本文作者認為應該在材料科學與工程專業的教學實踐中增加一些采用原位反應自生技術制備復合材料的實驗課程。
