化学反应工程范例

[摘要]工程教育背景下，要求强化化学工程与工艺专业学生的工程意识及解决复杂工程问题的能力。《化学反应工程》作为高校化工专业本科生一门重要的专业基础必修课程，对该目标的实现有重要支撑作用。因此在课堂教学中，引入大型化工工业过程案例教学，可让学生深入理解理论知识，培养工程思维，提高解决工程问题的能力。

[关键词]工程教育；化学反应工程；教学改革

1工程教育背景下对《化学反应工程》课程的要求

《化学反应工程》主要面对三年级化工相关专业本科生，建立在物理化学、化工原理等专业基础课之上，是化学工程与工艺专业的核心课程。本课程主要探究化工生产过程中化学反应的宏观反应过程，建立数学模型，并据此进行不同类型反应器的设计与分析。工程教育认证背景下，要求每个专业都要有明确、公开的毕业要求，而且毕业要求能支撑培养目标的达成；还要将毕业要求分解为若干个可衡量的指标点，毕业要求和指标点，要明确教学活动(课程、实习或设计等)。因此，很多专业课程都根据毕业要求指标点重组教学内容，改革教学方法，以支撑毕业要求的达成[1-2]。我国工程教育专业认证协会颁布的《工程教育认证标准(2015)》中给出了评价培养质量的12条毕业要求，在毕业要求达成度评价中《化学反应工程》课程对其中6条均有支撑，对工程知识、问题分析及设计/开发解决方案这3条具有强支撑[3]。因此，为培养与强化化工相关专业学生的工程意识、具有分析工程问题以及解决实际工程问题的能力，开展《化学反应工程》课程课堂教学改革是对工程教育强有力的支持。

2当前《化学反应工程》课堂教学的现状

常规教学过程中，多采用内容驱动式的教学方法，在计划学时内根据教学大纲的要求讲授课程，虽然教师在授课阶段也关注学生综合素质、优化理论知识和建模求解能力的提升，但没有以学习成果为导向来反向设计和实施教学，也没有关注学生核心能力和毕业要求的达成。近年来，针对《化学反应工程》的教学改革研究较多，主要集中在以下几个方面：(1)将“互联网+”引入教学，提高课程的实时性和互动性；(2)提倡“开放式”“研讨式”教学，以促进学生自主学习、提高创新能力；(3)采用“案例教学”并结合科研实践，主要针对不同知识点选择不同案例；(4)增加实践环节，包括课程设计、仿真训练、专业实验及企业实习；(5)软件辅助，如将AspenPlus、AutoCAD、ChemCAD软件应用于教学环节。以上改革措施都对教学质量的提高起到一定推进作用，但针对工程教育背景下的新要求，不仅需要在辅助教学方面与时俱进，更应该在理论教学的内容上进行更新。因此，探索将大型工业过程作为案例，引入课堂教学的整个环节，从理论学习上加强学生工程意识和提高分析工程问题的能力。

3改革内容与途径

摘要：随着中国科学技术的不断发展，工业化进程不断的推进，我国的化学工程技术也在不断的发展，起着不小的作用。不断加大化学工程建设，是当今社会发展的应有之义，是工业化进程的必然趋势。目前化学工程技术的热点问题有绿色化学技术、分离技术和超临界化学反应技术等，虽然我国的化学工程技术相较于以往已经取得极大的进入，但是与西方国家相比仍处于落后地位，本文针对化学工程技术的热点问题进行分析，结合国内化学工程技术的现状提出改善意见。

关键词：化学工程技术；热点；发展趋势

化学工程技术是研究以化学工业为代表的，以及其他过程中与化学过程有关的原理和规律的学科，最终目的是利用探究出来的原理和规律解决或者优化过程中的相关问题。化学工程与计算机、生物、能源等诸多高新技术领域息息相关，对于推动国家的工业化进程有着基础性的作用。因此，对化学工程技术的不断探究，不断了解和掌握国内外的最新研究内容和成果，都是很有必要，值得鼓舞的。

1化学工程技术的热点分析

1.1绿色化学技术

中国在工业发展初期有着先污染后治理的错误理念，导致现金社会对绿色生态、保护环境的重视，而绿色化学技术则是通过化学技术和方法去消除或者减少生产中的污染，从而达到减少环境污染，保护环境的目的。绿色化学通常会选用无毒无害的物料或者可再生的物料作为化学反应的原料，在反应过程不产生有毒有害品，从源头上就杜绝了对环境的污染。当今社会不仅在环境污染上加大整理力度，在新能源的挖掘和使用上也在不断加大投入和研究。绿色化学技术将是新能源使用过程中必然应用得到的技术。在已经生成的化学污染方面，对能产生绿色化学反应的废料进行化学反应，可以达到消除难以降解或者污染极大的废料，或者产生新的可利用化学品，达到废物利用的效果。绿色化学技术是绿色环保研究的重要内容，是我国化学家们研究的热点。

1.2分离技术

摘要：目前，随着现代工业的不断发展，对石油天然气的依赖越来越强烈，而石油天然气是不可再生资源，在巨大的消耗背景之下，急需寻找接替能源,确保中国能源安全。提出一种新的方法，利用钻井技术手段把水和催化剂注入地下煤层，并采用核能技术加热煤层，通过物理以及化学反应，使地下煤层生成石油和天然气，从而增加石油天然气的资源储备，对于我国的能源安全将具有重大的意义。

关键词：煤炭；石油；天然气

中国石油天然气逐渐减少，进口国外的依赖性越来越大。如果没有大的发现，对我国的能源安全十分不利。而中国的煤炭资源非常丰富，储量在4×1012t以上，是很理想的转型接替能源。目前把地下煤炭资源变成石油或天然气资源的方法成本非常高，经济性不强。本文大胆设想，转变思路，应用核能加热煤层的方式，并配合催化剂，促其发生化学反应从而生成石油和天然气，实现低成本把地层煤层转换成石油或天然气。

1原理

通过对目标井井身结构设计技术，优选深度和厚度适宜的煤层，钻井施工后，随钻注入适量水和催化剂，再把核反应原料送至井底指定深度，表层封固，地面通过电磁波或有线电缆控制，实现井下核裂变，加热煤层，在催化剂的作用下，煤和水化学反应，生成氢气和一氧化碳以及二氧化碳，氢气在一定温度压力下，和煤继续反应生成甲烷，一氧化碳和氢气反应，从而生成石油天然气。待充分反应后，部分煤层就转换成了石油天然气资源，从而实现石油天然气开采。

1.1核变生热反应

235U+n→236U→135Xe+95Sr+2n235U+n→236U→144Ba+89Kr+3n31H+21H→42He+10n+1.76×107eV（氘+氚→氦+中子+能量）

［摘要］在国家“双一流”高校建设背景下，实施化学工程学科教学改革对于提高教学质量和学科影响力具有重要作用。以化学反应工程课程教学为例，将多层次过程分析与计算机模拟有机结合，开展项目驱动式教学，可以让学生不断提高综合分析能力，增强工程意识，做到从理论知识到实际应用的有序转变。

［关键词］化学工程；多层次；计算机模拟

近年来，随着化工企业数量不断增加，技术含量不断上升，企业对高校化工类毕业生的数量需求不断增加，质量要求不断提高［1］。但一项针对高校化工类毕业生的调查显示，46％的毕业生在校时希望转到其他专业进行学习，只有半数毕业生将兴趣作为当初报考化学化工类专业的首要因素，另有很多毕业生认为化学化工企业危险、有害，工作环境差。化工类毕业生对于择业就业的忧虑，体现出高等教育专业人才培养的不合理性。化学工程是一门系统、复杂的交叉学科，包含化学分子动力学、流体力学、反应器设计与选择、传热传质等基本理论，涉及内容多、范围广，对于学生各方面能力均有较高的要求［2］。传统的“老师讲课，学生考试”的单一教学模式难以激发学生的学习兴趣，更难以培养社会需要的化工综合人才，已不再适应课程教学的需要。针对不少学生对该学科望而生畏，“不会学、不会用”的现象，如何通过优化教学模式提高学生的学习兴趣，使他们能将相关理论知识应用到实际工作中，对于综合性化工人才培养及化工企业的发展至关重要。

一、教学改革内容

（一）建立多层次教学模式

化学反应工程作为化工学科中集合微观、介观和宏观变化的一门综合性课程，涉及分子层面、反应器层面和化工流程层面［3］。目前该课程主要采用老师讲课、期末考试的授课和考核方式，教学效果不佳［4－5］。此外，大多数高校的化学反应工程教学仍停留在传授书本理论阶段，没有设置实践应用环节，学生难以将所学理论知识熟练地运用到工程实践中去，这门课的教学意义自然也大打折扣。现有的教学模式难以使学生真正理解和消化相关专业知识，改革迫在眉睫。化学反应工程教学应该有层次地递进，针对具体的工程应用案例，进行多层次的过程分解，并分析不同层次间的关联，最终达到提高学生分析和综合应用能力的目的。因此，教学中可将化工过程分为分子化学反应、反应器及流程系统等多个层次，从微观到介观再到宏观分别进行分析，以充分激发学生的学习兴趣，提高学生的学习效率和分析、解决实际问题的能力，实现理论最终服务于实践的目标。

（二）基于模拟软件强化学科各课程间的关联

摘要：化学工程是研究化学工业生产中化学过程和物理过程的共同规律，涉及化工制造、生物工程、纳米技术等。首先介绍了化学工程的研究内容，然后分析了化工生产工艺流程、存在的问题和优化措施，最后指出未来发展趋势。

关键词：化学工程；化工生产；工艺流程；优化措施；发展趋势

随着科学技术进步，我国化学工程发展迅猛，化工生产行业具有良好的发展机遇。而在实际生产中，不仅会带来环境污染，还会危害工作人员的健康。针对这种情况，必须采用科学有效的措施改进生产工艺，既满足市场需求，又能提高企业竞争力，推动化工行业可持续发展。

1化学工程的研究内容

化学工程的研究内容如下：①单元操作。化工生产的基本过程，主要有换热、吸收、整流、结晶、干燥、萃取等，这些基本过程被称为单元操作，可以指导设备设计、产品生产、操作控制。②化学反应工程。化工生产的核心就是化学反应，直接影响产品收率、生产成本等要素。20世纪中叶后，随着氧化、还原、硝化、反应器稳定性、反应相内传质传热等研究的开展，充实了化学工程的内容[1]。③传递过程。该过程是单元操作、化学反应的基础，主要分为热量传递、质量传递、动量传递三种类型。此外，以气体的增湿减湿为例，同时存在两种或多种传递现象。④化工热力学。主要研究传递过程的方向、极限，为过程分析提供数据支持，实现了理论研究和实际应用的紧密结合。⑤其他问题。以化工系统工程、过程动态学及控制为代表，随着生产规模扩大，资源能源消耗量增加，此时能量利用问题凸显出来，必须对生产设计和工艺操作进行优化。

2化工生产工艺流程和存在的问题

2.1工艺流程

摘要：随着我国经济的发展、社会的进步，化工工艺设计的相关问题也渐渐引起了人们的重视。因为在全球范围内，化工工艺都受到重点关注，提升化工工艺水平可以较好地满足世界经济发展的需求。想要发展化工工艺就必须要对相关的技术进行利用，从而提升化工材料的使用效率，让传统的化工行业能够进行合理的升级，转变为科技化工的形式，生产性能更好的产品。但是从现实情况来看，很多化工企业应用的原材料都存在一些毒性因素，这一点以人类目前掌握的技术来看，还无法避免，所以，必须要在化工工艺设计过程中对安全管理的危险因素进行识别，提升管理水平。据此，对相关问题进行分析，希望能够对现实有所裨益。

关键词：化工；工艺设计；安全管理；识别

在我国国民经济持续提升的背景下，人们开始加强对生活品质的关注。经济的发展带动人们生活水平的提升，使得化工类产品渐渐成为人们日常生活中不可缺少的部分，这也要求相关人员加强对工艺生产水平的重视，因为从某种意义上来看，工艺生产水平的提升将关系到人们日常生活的质量，所以，必须要结合实际情况强化对化工工艺设计的重视。在化工工艺设计的过程中对安全管理危险因素进行合理的识别，只有如此才能将化工产品发生危险的可能性降低，为化工产品生产人员提供安全保障，同时，加强安全管理也能够提升化工生产的效率，为国民水平的持续提升贡献力量。据此，对相关问题进行分析，具有较强的现实意义。

1化工工艺设计的概述

想要对整体问题进行分析，就必须要在一定程度上明确化工工艺设计的相关概念。化工工艺设计就是以具备化学性质的原材料为基础，开展具体工艺设计的行为，由于化工工艺设计涉及很多原材料以及产品，这些产品的物理性质与化学性质在某种条件下会发生带有毒性的化学反应，如果不能对其加强重视，后果将十分严重。根据我国《建设设计防火规范》，将物品的危险等级分成5个部分，无论是在原料方面还是在中间品方面，亦或是在成品方面，都具有不同程度的危险因素，部分产品甚至存在引起火灾、爆炸的隐患。根据不同的危害等级，需要设置相对应的措施，包括防火、防爆等，在得出具体的信息之后，就可以以此为依据制定安全保护措施，明确合理的操作方式，对设备进行选择。化工工艺设计涉及的相关因素包括仪表、设备等[1]。

2化工工艺设计的内容和特征

2.1化工工艺设计的内容

摘要:大学无机化学的教学内容较为抽象，难以被学生所接受，尤其是物质结构等方面的内容。当前学生的学习方式与传统模式相比发生了翻天覆地的变化，传统教学模式也难以激发学生对无机化学的学习兴趣。因此，寻找一种更为科学合理的无机化学教学方法对于大学无机化学教学工作来说至关重要。本文通过查阅大量相关文献资料，分析了量子化学软件在物质结构、化学反应等方面的重要作用，总结了Gaussian软件可以有效解决无机化学教学工作中分子结构难理解的问题，将抽象的化学知识宏观地表现出来，以提升大学无机化学的教学质量，提高学生的学习效率。

关键词:量子化学软件;Gaussian;无机化学;教学

1量子化学软件与大学无机化学教学

化学学科的教学模式以实验实践为主，该门学科至今已经有几千年的历史。大学化学主要分为无机化学、有机化学、生物化学、精细化学、分析化学、理论化学、实验化学、应用化学以及材料化学、高分子化学等几个分支。其中，无机化学主要研究无机物质，无机物相对于有机化合物来说是独立存在的，通常情况下，其结构中不含有碳氢键。常见的无机化合物主要有金属氧化物、碳氧化物、硫氧化物、水、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐以及盐酸、氢氧化钠等物质。在大学无机化学的基础理论教学工作中可能会涉及许多抽象的概念、知识和公理。例如分子、原子以及各个分子的空间结构，这些都是通过人肉眼不能直接观察到的，且分子结构、晶体结构等微观知识很难用具体的模型展示出来。所以说，在大学无机化学教学工作中亟需引入更为先进和科学的教育手段。20世纪初期，一门以“量子科学”为基础的量子化学分支逐渐发展起来，并被广泛应用到化学领域。量子化学主要是根据量子力学的原理来对物质分子、原子、晶体结构、分子空间结构、分子间作用力、化学键、化学反应机理以及电子能谱、波谱和光谱进行研究。因此，量子化学的应用范围也逐渐普及到大学无机化学教学工作中。常见量子化学软件主要有Gaussian、MS、Q-Chem等。本文以Gaussian软件为例，结合实际教学经验，将抽象、深奥且枯燥的大学无机化学知识、定理转化成一种更为立体的、直观的、形象生动的方式展现出来，更容易被学生所接受。

2Gaussian软件

无机化学是由元素化学和基础理论化学两大部分组成，主要侧重于无机化合物的性质、结构以及化学反应三者之间的关系。然而基于无机化学涵盖了许多类型的物质结构和较为复杂多变的化学键，且无机化学反应类型众多，因此，无机化学教学任务十分繁重，难度很高。当前有许多包括Authorware、Flash、ChemOffice以及PowerPoint等软件由于多样化的教学手段，有助于无机化学教学任务，但此类软件不能有效解决无机化学教学任务中的许多难题。基于此，量子化学计算程序软件Gaussian被研发出来，不仅能够为教学手段提供更为丰富的资源，还有助于解决许多教学疑点和难点，增强教学效果，提升教学质量。Gaussian最原始的版本是G70，诞生于1970年，当前应用最多的版本是G03，G09是最全新的版本。Gaussian软件可以计算无机化学中许多类型的密度泛函、半经验以及从头算，通常和Gaussview显示软件互相搭配使用。Gaus-sian软件在无机化学教学工作中的主要任务是完成计算和优化过渡态结构、过渡态能量、分子结构、分子能量，计算无机物质的热化学性质、拉曼光谱、NMR、IR、振动分析以及振动频率等，计算反应途径、反应能量、化学键能量以及计算离子化势、电子亲和能、多极矩、原子电荷以及分子轨道。无机化学的基础理论主要有包括配位理论、结构理论、元素周期律在内的基础结构理论，包括酸碱性、沉淀溶解以及氧化还原性质在内的无机物性能，电化学、化学平衡、动力学以及化学热力学等无机化学反应等，这些都是化学元素及其化合物组成的基础。Gaussian软件是当前最为常见，也是应用范围最为普遍的量子化学软件，该软件能在Windows，Linux，Unix等多种操作系统中正常运行。Gaussian软件的主要作用是实现分子结构、分子能量、化学反应能量、原子核电势、分子振动频率、拉曼光谱、红外光谱、分子运动轨迹、核磁振动以及化学反应机理、物质热力学性质等的计算和推测。Gaussian软件可以实现对物质基态、激发态的量子化计算，也可以直接预测一个运动周期内物质的结构、分子运动轨迹以及分子能量。所以说，Gaussian软件可以应用在许多大学无机化学研究课题中，包括取代基对物质结构的影响、无机化学反应的机理预测、物质激发能量的计算以及物质的势能曲面等。

3量子化学Gaussian软件在大学无机化学教学中的实例应用

摘要：废水是社会经济发展、生产生活进步的产物，其对生态环境造成了严重的破坏。废水中的病原体污染、耗氧污染物、有毒污染物都会对生产生活造成威胁。利用化学工艺进行废水处理可以高效地降低污染废水的排放量，保护生态环境。化学工艺处理废水的技术类型多样，电化学技术、声化学技术、微波化学技术都能够对废水进行高效处理，且不容易形成二次污染。主要针对化学工艺在废水处理中的应用进行研究。

关键词：化学工艺；废水处理；低碳环保

生产废水、生产污水是废水的主要种类，废水对生态环境的危害十分严重，需要选择科学高效的方式对废水进行处理，降低废水对生态环境的危害。其中，化学工艺就是处理废水的主要技术之一。在进行废水处理时根据废水不同的状态与性质选择合适的化学工艺处理技术。

1废水的种类与危害

废水主要是指人们在生活生产中排水的水体以及径流雨水的总称，废水包括生活污水、工业废水与流入排水管渠等其他无用水。通常是指经过一定技术处理后无法再次循环利用的水体。生活污水是人们生活中使用过并且被生活废料所污染的水质，生活污水通常不具有有毒物质，但是却十分适合微生物的繁殖，带有一定的病原体，对人体有一定的危害；工业废水是在经济生产行为中所形成的废水，包括生产废水、生产污水，其中生产废水是在工业生产过程中没有直接参与生产工艺，没有被生产原料、半成品等原料污染的水体。生产污水是指在工业生产中直接参与形成，并且被生产原料、半成品等原料污染的水体。废水对生态环境有着严重的威胁，主要表现在以下几个方面。

1.1病原体污染

生活污水、屠宰场、医院等场所排出的废水往往带有大量的病原体，例如病毒、寄生虫等。水体在遭受病原体的污染后则会传播疾病，霍乱、病毒性肝炎等都是病原体传染的常见疾病。病原体污染物在水体中数量庞大、存活时间长、繁殖速度快、容易产生抗药性，难以彻底灭绝。