时间：2023-11-17 11:23:17
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引言
进入新世纪以来，我国高职院校教育工作相对于先前有了较大的变化，对人才的培养也有了更高的目标。在高职化学反应工程教学中，遵照课程要求，针对性的逐渐完善化学反应工程教学体系，提升化学反应工程课程的教学质量，对高职院校教育工作的提升是非常关键的。在对“化学反应工程”课程的改革与实践中应从如下四个方面入手：
1、确定建设目标，深化教学改革，构建国内一流课程
化学反应工程包含了化工热力学、物理化学、控制与优化及化工传递过程等知识点，总体的知识领域较为广泛，对于培养高职学生的化学基础知识素养，提升学生的化学分析能力是非常关键的，因此，在进行高职“化学反应工程”改革时，应当首先认识到化学反应工程为所有化工课程的核心，为化工专业的专业主干课程。
外国知名大学在化学反应工程方面的研究及教学工作现对于国内对化学反应工程的研究及教学是较为超前的，因此，在进行化学反应工程课程改革时，全面的剖析国外知名大学同类课程的发展趋势，对提升化学反应工程课程改革的创新性及有效性是非常必要的。在具体的实施过程中，高职院校化学反应工程的教师可以首先通过互联网搜索国外知名大学的校园网站，跟踪了解国外知名大学在化学反应工程方面发展趋势，例如：剑桥大学、ARIZONA大学等国外知名大学内化学反应工程的课程设置等情况。其次，在化学反应工程课程教学中，可以借鉴国外知名大学化学反应工程的教学计划、教学资料，从而更好的开阔高职学生的眼界，激发学生学习化学反应工程课程的学习兴趣。第三，如果经济等方面的条件允许，高职院校化学反应工程课程的教师可以赴国外进行化学反应工程课程的访问与学习，亲身体检国外知名大学在化学反应工程课程教学方面所做的工作，学习化学反应工程的教学模式，这对于更好的开展化学反应工程改革有着重要的推动作用。
2、阐明基本原理，联系开发实例，教学内容精益求精
2.1精选了化学反应工程课程教学中基本原理的内容
化学反应工程的重点为将化学反应的机理阐明，将反应工程的基本理论、概念及研究方法介绍给同学，因此，在进行高职化学反应工程的课程改革时，应将化学动力学、理想流动反应器、间歇反应器、化学反应过程中质量与热量的传递，反应器稳定性及反应选择性作为化学反应工程的课程的主要讲解内容，并按照浓度效应与稳定效应展开相关的化学反应工程讨论工作，力求确切阐述、清楚表达，为高职学生更好的学习化学反应工程和化学反应器相关的知识打下坚实的基础。
2.2更新了反应工程课程教学中过程开发的案例分析
工业反应器为化学反应工程的主要研究对象之一，同时化学反应工程中理论联系实际的情况较多。很多高职教师在化学反应工程课程教学的过程中往往承担有与化学反应工程课程相关的科研项目，因此，这就为化学反应工程课程改革提供了较好的平台，教师可以将科研成果作为化学反应工程课程的具体案例进行开发与分析，从而更好的提升整个化学反应工程课程教学的精彩性，使之做到言之有物，更好的丰富整个化学反应工程课程的内涵，也能够帮助学生更好的了解与学习到化学反应工程在具体的开发过程中的作用与进展。
2.3 增加了生化、材料、环境等反应工程方面的内容
现阶段很多高职院校的化学反应工程教学缺乏教学所需的学习氛围，因此，在高职院校进行化学反应工程的改革时，增加了与化学反应工程相关的材料、生化及环境等方面的能够有效的反应出化学反应工程前沿的内容是有其必要性的。在具体实施时高职院校可以借此拓展课程内容的内涵，请学有专长的专家学者介绍生化反应工程、聚合反应工程、电化学反应工程、精细化学品反应工程、环境反应工程等新方向、新进展，有效的实现学生在学习化学反应工程课程时思路与眼界的开阔。
3、讲授研讨结合，试行双语教学，教学方法不断改革
高职院校在进行化学反应工程课程改革时，应重视教学方法的转变，传统的教学方式在一定程度上仍有一定的借鉴意义，因此，在进行改革时还应当继续坚持传统的教师讲授的方式，在教师讲授的同时，加入一定量针对性的讨论式教学方法，组织学生针对性的对化学反应工程的某些重要的知识点进行讨论。在化学反应工程课程具体讲授的过程中，注意应用归纳法、对比法及演绎法等方法，针对不同的化学反应工程内容，应采用不同的教学方法，在提升化学反应工程课程教学质量方面应下功夫，例如：在讨论串联反应优化问题上，引导学生精心制作了电子课件，并鼓励学生上讲台讲解，学生的积极性很高，既活跃了课堂气氛，学生本身也觉得收获很大。
其次，在化学反应工程课程改革时加入一定量的双语教学方式，能够较好的提升化学反应工程课程教学的质量，担任化学反应工程双语教学的教师一般均为博士学历，具有较多的国内外学习的经历，上课课件、板书全部采用英语书写，考试试题与解答也全部采用英语表达。双语教学试点吸引了一批具有较高外语水平的优秀学生参与，而上课教师也将国外化学反应工程教学思想与教学理念融入到课堂教学过程中，这对于提升学生学习的积极性有着较大促进作用。
4、结束语
在化学反应工程的教学改革的过程中，教师还应当充分的利用现代化教学设备，将教学的内容通过现代化多媒体技术呈现出来，更好的提升化学反应工程课程教学的生动性、形象性，这对于提升高职学生学习的兴趣也是较为重要的。
[参考文献]
[1]王琳琳，陈小鹏，梁杰珍，刘幽燕，韦小杰.改革地方院校课程教学模式和内容，培养学生工程与创新能力――以广西大学化学反应工程教学为例[J].实验技术与管理，2012，08：10-14.
一、开设课程设计、培养学生应用知识和反应器优化设计的能力
我院开设了为期2周的化学反应工程课程设计,要求每个学生独立完成硫酸转化器设计,采用二转二吸中的“3+1”或“2+2”式工艺、四段间接换热绝热式固定床催化反应器。每个学生的设计规模、进一段的原料气组成、净化率、转化率、吸收率不相同,学生自己查阅文献资料、查找设计方法、搜集计算公式、选择工艺参数进行设计。完成后撰写设计说明书,内容包括设计任务书、目录、设计方案简介、工艺计算、设计结果汇总、设计评述与讨论、参考文献,等等。设计过程中学生之间广泛讨论,商讨设计方法,学习氛围浓厚。虽然过程相似,但设计条件不同,每个学生都要单独完成自己的设计任务。通过该课程设计,学生对固定床催化反应器的形式和特点,固体催化剂的性能、内扩散有效因子的概念和计算方法,平衡温度、平衡温度曲线的概念和绘图方法,最佳温度、最佳温度曲线的概念和绘图方法,各段进出口温度、进出口转化率的最佳分配方法,利用本征动力学方程,通过数值积分计算反应时间的方法,催化剂用量的计算及校正方法,反应器直径、高度及其它附件尺寸的计算方法等知识点,有了深刻的理解和较好的掌握。
二、逐步加大实验、巩固所学知识、培养实验动手能力
对于化学反应工程这种实践性很强的工程学科来说,实验是学生参加实践获取知识所必需的学习途径。而化学反应工程的主要研究方法也是应用理论推演和实验研究工业反应过程的规律而建立的数学模型方法。所以教会学生如何建立各类实验反应器,如何进行实验设计、反应条件选择和数据处理非常有用。为此在课程建设中,我院通过专业实验课、综合设计型实验课,逐步加大与化学反应工程有关的实验。目前开设多釜串联流动特性的测定、管式反应器流动特性测定两个验证型实验;开设乙酸乙脂水解反应动力学的测定、乙醇催化裂解制乙烯反应动力学测定、乙苯脱氢制苯乙烯、反应精馏制乙酸乙酯等四个综合设计型实验。通过实验,学生对返混、脉冲法、阶跃法的概念以及停留时间分布的测定方法,多釜串联模型、轴向混合模型的流动特性,理想流动反应器与实际反应器停留时间分布的区别,连续均相流动反应器的非理想流动情况及产生返混原因,全混釜中连续操作条件下反应器内测定均相反应动力学的原理和方法,反应精馏与常规精馏的区别,连续流动反应体系中气——固相催化反应动力学的实验研究方法,温度、浓度、进料流量对不同反应结果的影响,转化率、选择性及收率的概念及计算方法等知识点,有了透彻的理解。课堂上学习的理论知识,不但在实验中得到验证和巩固,而且得到了应用,掌握了反应动力学的实验测定和相关设备的使用方法。
三、开展仿真实训、培养实践操作能力
我院以前有四周生产实习,实习中遇到企业为了安全和效益等因素不允许学生亲自动手操作时,学生得不到实际操作设备的锻炼机会;一般实习一个化工产品的生产过程,学生掌握了工艺流程、生产原理之后,实习后期学习兴趣、主动性降低,影响实习效果等问题。而且目前大部分化工企业采用DCS控制,技术员主要在控制室通过电脑操作控制生产过程。随着信息时代的到来,计算机仿真技术的应用越来越广泛,采用仿真技术将复杂的工业反应过程虚拟化,从而在计算机上以“慢速”再现反应过程及变化特征,将“抽象”化为“形象”,动态演示工业生产过程。并且,仿真实训具有无消耗、无污染、可重复操作等优点。为此我院购买了北京东方仿真软件技术有限公司的化工培训软件,在校内建立仿真实验室,开展仿真实训教学。将以前四周全在企业的生产实习改为前两周在企业生产现场实习,后两周在校仿真实验室开展仿真实训。目前我院开设的与化学反应工程有关的仿真实习项目有固定床反应器单元、流化床反应器单元、间歇反应釜单元,以及30万吨合成氨生产工艺中的反应部分、甲醇生产工艺中的反应部分,等等。学生要进行冷态开车操作、正常生产操作、停车操作、故障处理操作,以及单人单工段、多人单工段、多人多工段等操作环节的实训。通过仿真操作训练对于学生了解化工反应过程、以及工艺和控制系统的动态特性、提高对化工生产过程的运行和控制能力具有特殊效果。这种运行、调整和控制能力,集中反映了学生运用理论知识解决实际问题的水平。所以,仿真训练是运用高科技手段强化学生掌握知识和理论联系实际的新型教学方法。
四、参与科研活动、培养创新能力
由于搅拌槽内的流场的流动具有复杂性，目前对搅拌槽等混合设备的设计和经验成分也采用理论计算的方式，在化工领域中，化工工业规模的反应器存在不均匀性等特点，不均匀性随规模扩大而加重，因此，对搅拌槽内部流场进行研究是非常有必要的。虽然许多化学家对化工领域中的搅拌机槽内的流场进行了分析研究，如Harvey等人采用二维模拟计算搅拌槽内流场的流体，但随着技术的不断改革与发展，计算流体力学的引进，改变了以二维模拟的计算方式，计算流体力学的方法不仅可以节约化工研究成本，采用实验手段不能获得的数据，计算流体力学方法也可以获得。Sun等人利用计算流体力学中的湍流模型计算了搅拌槽内的气液两相流动，并且对其进行了三维模拟，通过实验研究表明，计算流体力学的数值模拟能有效的计算搅拌器上部的气体部分，但是，CFD数值模拟也存在一定的缺陷，不能有效模拟搅拌器底部区域。计算流体力学CFD与多普勒激光测速仪LDV有效结合，可以对搅拌装置能更深入的研究，其主要原因是多普勒激光测速仪测量的数据可以准确验证计算流体力学CFD计算的结果，同时多普勒激光测速仪测定特定点的速度也可以作为计算流体力学计算的参考条件。
2.CFD在化学工程换热器中的应用分析
换热器是化学工程中使用最多的设备，通过计算流体力学的计算方式，不仅可以精确、详细的测量换热设备内流场的流动，也可以预测换热器的性能，经济可靠的换热器对化工工业具有重要作用。对于化工中的管壳式换热设备，其内部的几何形状设备结构复杂，利用计算流体力学模拟管壳式换热设备的壳侧流场，进而充分了解管壳式换热设备的壳侧在瞬间变化中的温度场、速度场，CFD的应用有利于分析研究换热器的基本原理和结构构造。
3.CFD在化学反应工程中的应用研究
关键词：化学反应工程 教学改革 工程概念 创新能力
化学反应工程是关于工业化学反应过程的科学，是化学工程学科的一个主要分支，属于工程科学，其研究内容主要是反应动力学和反应器的设计与分析。化学反应工程课程与数学、物理和化学等基础课密切相关，也与热力学、动力学和传递过程等存在着交叉关系，加之独立学院学生的基础本身较弱，使得该课程的教学难度更大，普通的授课方式很难达到预期的教学效果，必须采用科学、适当的教学方法，因材施教，以提高教学质量。本文围绕独立学院对化工类人才培养的要求，提出了化学反应工程课程教学方法的选择与应用原则，探讨了“互动式、启发式”教学方式，并与实践相结合的教学模式，以促进化学反应工程课程改革和教学方法创新。
一、坚持“方法论”的教育理念与工程意识相结合的教学思想
化学反应工程是一门综合性非常强的课程，并且与工程实践紧密相联。根据化学反应工程课程教学大纲，要求学生在掌握基本原理的基础上，重点和难点则应放在分析与解决实际问题的方法论上。在理论教学中，应向学生介绍化学反应工程中的基本原理和化学反应器的设计与分析的基本方法，同时也注重让学生了解这些知识如何指导工程实际。在教学过程中强调“方法论”教学[1]，提倡采用“工程分析方法”，融入化学反应工程的基本观点和工程思维方法，培养学生分析工程问题的实际能力，运用以“物质的传递与转化”、“能量的传递与转化”和 “信息的传递与转化”所组成的“三传三转”[2]的新模式进行反应器的优化和放大，解决工程实践问题。在教学过后中坚持“方法论”的教育理念与工程意识相结合的教学思想。
二、教学方法的改革
教学是一门艺术，属于双向行为。教学的主体对象是学生，学生应积极参与、发挥主体能动性并将知识内化为自身能力。作为引导者的教师应以科学的方法论为指导，贯彻“少而精、重基础”和“适用、够用和会用”的教学原则，通过“预习一听课一提问一讨论”的教学模式[3]，采用启发式、提问式、互动式、讨论式等教学方法，最大限度地激发学生自主学习兴趣和学习的积极性。同时，课堂上随时观察学生表情，注重彰显学生的主体地位和个性发展。课后主动了解学生听课效果和学习难点，及时调整教学进度。对于学生普遍反映“课堂能听懂，听后难做题”等现象，适当安排习题课。对学生作业中存在问题进行重点讲解，归纳解题思路和方法，巩固学生所学理论知识。师生通过教学过程的双向互动，达到“教”与“学”的最佳结合。
三、教学手段的改革
由于化学反应工程学的研究对象内在规律较复杂，一般使用数学模型方法或简化反应过程，若采用传统的板书教学手段，学生很难想象，不好学。从而形成了“灌输式”教学方式，让学生感觉这门课程枯燥无味，产生厌学情绪。为了适应现代教育技术发展的需要，满足教学手段改革的需求，通过多年的教学实践总结，在化学反应工程的教学过程中，既要积极开发和应用现代化教学媒体，又要继承传统教学媒体中的合理成分。在教学过程中，采用集文字、实物照片、动画于一体的多媒体课件，利用动画效果把抽象概念形象化，动态地展示设备结构、操作原理、物料流动情况，使教学内容更直观、生动，提高学生兴趣，降低教学难度。与传统的板书教学手段相比，多媒体教学手段的优势在于能够实现“动态的问题形象化”，“微观的问题宏观化”，“抽象的问题具体化”，“表达方式的多样化”，提高教学效果[4]。
四、考试制度的改革
考试不仅具有检测教师教学水平和学生学习效果的作用，更具有引导学生积极学习的“无形指挥棒”作用[5]。考试制度的改革应促进教学内容、方法和手段的改革。通过几年的教学实践，针对传统考试中所出现的种种问题，采用课内考试和课外设计相结合等多种考核方式相结合的考试方案，不仅有效引导学生掌握课程的基本内容，而且在课程教学中加强了实践能力和创新能力的培养。本课程主要采用撰写课程小论文、 开展小型反应器的设计型或操作型问题的训练与考核，充分发挥学生的想象力、提高学生的创新意识。
五、课堂教学与实践相结合
化学反应工程是实践性非常强的课程，首先，课堂教学与专业实验相结合。注重从理论到实践，再到理论的过程，锻炼学生的实践能力与创新能力[6]。在教学过程中我们充分认识到化学反应工程与化工专业实验的统一性，掌握好理论知识能指导实践，而科学实践能帮助我们更好地认识、理解、掌握理论知识，将感性认识上升为理性认识后，再运用到实践中去。其次，在教学过程中与化工实习、生产实践相结合。该课程主要以工业反应过程及反应器设备为研究对象，以达到反应器的开发、设计和放大以及优化操作的目的。因此，安排学生到相应企业实习是非常有必要的。近几年，我们已建立了多家化工生产实习基地，安排学生进厂实习，了解化工生产中所用到的各类反应器及辅助设备等，了解主要装置的工艺流程及操作，使学生对各类反应过程及所涉及的设备有了感性认识，更容易接受理论教学，有利于教学质量的提高。
六、课堂教学与仿真教学相结合
仿真教学是理论和实践间的桥梁，实现了理论知识与创造能力的有机结合，既是实践教学手段，也是实践教学内容[7]。仿真技术在工程实践教学中的广泛应用，改变了传统课堂教学与实验教学的内容和手段，对于学生实现理论与实践的结合起到了重要作用。我们通过化工生产中具有代表性的大型合成氨装置的过程模拟，将化工单元操作、化学反应、过程控制、能源综合利用等现代化工过程进行整合模拟训练，为拓展学生的思维空间，培养创新能力，提供了良好的教学环境。
七、结语
化学反应工程是化学工程与工艺专业的核心课程，理论抽象，数学模型复杂，实践性和应用性很强。采用多种教学方法相结合，传统教学手段和多媒体教学手段相结合的方式，充分提高学生学习的主观能动性与学习效率。将理论教学与仿真教学、专业实验和生产实习等实践环节相结合，加深了学生对理论知识的理解，提高了分析、解决工程问题的能力。结合时展需求，积极更新教育观念，培养满足化学工业发展所需的应用型人才。
参考文献
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关键词：化学反应工程；研究方法；教学应用
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2012）29-0078-02
化学反应工程是化学工程与工艺专业的核心课程，以化学反应过程的共性规律、反应器的设计、放大和优化为主要研究对象，用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题，是一门实践性很强的工程学科。面向本科生的化学反应工程课程教学的目标，是使学生掌握化学反应工程基础知识，学习化学反应工程的研究方法和思路，了解化学反应工程最新进展和发展方向，提高创新思维能力。[1]笔者在长期的教学中将“方法论”作为重点，不断总结教材各章节、研究各类反应过程的共同方法，并应用于教学，对学生掌握化学反应工程的基本观点和工程方法，培养学生分析与解决工程问题的实际能力起到了很好的作用。
一、数学模型方法
工业反应器中进行的化学反应过程往往与物料的流动、混合、传质、传热、反应计量学、催化剂性能等有直接关系，浓度、温度、压力等参数影响反应结果，影响因素多，相互耦合，通常表现出很强的非线性，传统的因次分析和相似方法不能反映化学反应工程的基本规律。[2]教学中，把反应器中进行的过程分解为化学反应过程和物理传递过程，反应器中进行的过程分解为化学反应过程和物理传递过程，分别建立反应动力学模型和反应器传递模型，然后通过物料衡算和能量衡算把它们综合起来，建立反应器的数学模型，用数学模型方法来研究化学反应工程，进行反应器设计、放大与优化，比传统的经验方法能更好地反映其本质。因此，数学模型方法是化学反应工程的基本研究方法，可以通过数学模型的建立和求解去预测和模拟反应器的实际操作状况。[3]在阐明化学反应工程基本概念和原理的基础上，将各类反应器的数学模型作为讲授重点，尤其突出间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器数学模型的建立和求解方法，借此培养学生利用数学模型方法设计反应器的能力。
二、物料、能量衡算中非线性问题的线性化处理方法
反应速率一般是由反应实际进行场所的浓度和温度决定。而工业上广泛使用的气固相催化反应器、流固相非催化反应器，气液反应器中物料温度和浓度的变化呈现非线性特点。处理的共同方法为反应器设计中物料衡算、能量衡算时，衡算范围取一个微元，在微元内物料温度和浓度的变化近似按线性关系计算。在气固相催化反应工程讨论中、以单颗粒的球形催化剂为基础，在其中距中心R处取一厚度dR的微元球壳进行物料衡算、能量衡算；在气液反应工程讨论中、以双膜理论为基础，在液膜中距界面x处取一厚度dx的单位面积微元液膜进行物料衡算；在流固相非催化反应工程讨论中，以收缩未反应芯模型为基础，对单个球形固体颗粒，在其固相产物层内距中心R处取一厚度dR的微元球壳进行物料衡算；平推流反应器、非理想流动反应器轴向混合模型的计算中，在距反应器进口L处取一厚度dL的微元管段进行物料衡算、能量衡算。这些问题的研究方法有相似性，在教学中强调相互的联系，可以加深学生对内容的理解和对反应器设计中线性化处理非线性问题方法的掌握。
三、解决复杂问题时先分解后综合的方法
影响工业反应过程的因素多，关系复杂，若直接全面分析求解，往往比较困难，不容易理解。在教学中可采用先分解后综合的方法，把复杂的问题分成若干步、先研究每一步的规律，再综合得出整体的规律。气固相催化反应工程讨论中，先分外扩散、内扩散、化学反应过程分别讨论三个过程的规律和计算公式，再综合三个过程得出单个催化剂颗粒的反应规律，再进一步综合得出整个床层的反应规律；气液反应工程讨论中，先分气液两相间的传递规律、液膜中的扩散反应规律，液相主体中的扩散反应规律，再综合得出整个气液相反应规律；流固相非催化反应工程讨论中，先分流体滞流膜扩散控制、固体产物层（或惰性残留物层）内扩散控制、化学反应控制分别讨论，再综合得出总体的规律和计算公式；讨论吸附动力学方程中，先按单组分反应物的化学吸附控制、表面化学反应控制、单组分产物的脱附控制分别讨论，再综合得出总体的吸附动力学方程。这样的教学方法，往往能使复杂的问题变得简单明了，复杂的计算过程得到简化。
四、理论推演与实验结合的方法
化学反应工程自设立以来，作为一门工程学科，其复杂性往往不仅表现在过程本身，而更表现在化学反应器复杂的几何形状及千变万化的物性，[4]因此，广泛采用理论推演和实验相结合的研究方法。通过理论推演得出轴向混合模型、多级串联全混流模型等非理想流动模型，通过实验测定实际反应器停留时间分布、计算出无因次时间方差、选择合适的非理想流动模型，利用实验数据计算出模型参数，进行实际反应器的设计；气固相催化反应内扩散影响的判别中，通过理论推演得出判据式，通过实验测定判据式的值，可判断出内扩散的影响程度；流固相非催化反应中通过理论推演得出不同过程控制时的计算公式，通过温度对总体速率的影响实验，可判别过程是化学反应控制还是扩散控制，通过流速对总体速率的影响实验，可判别过程是流体滞流膜扩散控制还是固相产物层内扩散控制，然后选择相应过程控制的公式，能使计算过程大为简化。反应动力学模型的建立更需要理论推演与实验结合，虽然可以通过理论计算确定化学反应的机理和速率，但对大多数反应体系，这类理论计算所能达到的准确程度尚不能满足工业反应过程开发和反应器设计的要求，实验研究仍然是认识反应过程动力学特征的主要途径。化学反应工程在其发展过程中已形成了一整套动力学实验测定和数据处理方法。[3]教学中，应着重强调利用幂函数型模型，双曲线型模型拟合实验数据的方法，以及它们的优缺点，使学生较好地理解和掌握反应动力学模型的建立方法。
工科院校培养的工程技术人才，不仅要有丰富的理论知识，理论还应当联系实际，具有较高的独立思考能力、发现、分析和解决实际生产问题的能力，这就要求教师不仅要对学生传授知识，更重要地是教给学生求索知识的方法和应用知识的能力。[5]长期的教学中，笔者体会到数学模型方法，物料、能量衡算中非线性问题的线性化处理方法、解决复杂问题时先分解后综合的方法、理论推演与实验结合的方法，并在化学反应工程研究中普遍应用，将这些方法重点介绍给学生，使他们在学习中触类旁通，举一反三，取得了良好的学习效果。
参考文献：
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在我们以前普通的化学反应来看，对于反应后的副产物的处理是相当困难的，并且如果想处理，其治理成本是相当的高，所以以前那种普通的反应无法从根本上剔除化学工业中所带来的一系列危害。而我们所提到的绿色化学工程，就从根本上解决了上述问题。
1.1选择有益材料对于化学反应来说，最重要的还是选料的环节，它的好与坏直接影响着化学反应是否友好是否有益。有效的防范，以达到在过程以及结果的一种良性局面。
1.2采用高效高选择性的反应原料对于化学工业来说，化学反应是决定化学工业生产过程中生产成本和生产难度、充分利用化学资源等各方面的重要性因素。可以降低工业生产的成本，而且能够提高产物纯度，减少无效反应产物的排放，节约化学资源，在化学工业中，有机物的反应复杂，研究机制不确定，所以选择合适的反应原料，不断提高工业技术是对化学工业的发展有着重要的意义。
1.3使用绿色无公害的反应催化剂催化剂作为化学反应中能改变反应速率的的物质，在化学工业中应用广泛，绿色化学就是研究生产高效高质量的化学反应，不产生任何有害物质，无效产物可以做到循环利用，无公害。这项生产技术就是高度依赖化学反应过程中的催化剂，不断创新，不断推动绿色化学产业的发展，相关机构已经着手研究这些优良的催化剂.
2寻找高效绿色的化学催化剂对提升工业生产水平的作用
2.1化学工业中绿色化学的应用绿色化学的核心就是要利用化学原理从源头消除污染，做到完全无公害无污染，因此它又被称为清洁化学，应用范围广泛，它涉及有机合成、催化、生物化学、分析化学等学科。工业中化学反应发生的条件一般都是高温高压，在反应过程中，只有适宜的温度和压力才能使用现代化学工业的技术，另外加上绿色化学的高效催化剂，这项工程才得以不断发展。例如上文提到的低维材料碳纳米管，催化裂解反应中有很大的化学功效。
2.2化学工业中绿色化学和现代生物结合的应用。讲到了催化剂，这就涉及到另外的技术性学科生物技术。生物技术的就是高科技与高端专业知识结合的产物，学科内又分为细胞工程、基因工程、胚胎工程等等。在化学产业中主要应用于生物化学。在化学工业生产过程中，选取有机的生物材料，主要是动植物的原料，另外也会采用他们经过上千年演变的产物—地下的煤炭等。催化剂主要由人工催化剂和自然催化剂，分别由人工合成以及采用天然动植物的生物酶。这样能够满足现代化学工业发展的需要，同时也能切合可持续发展的指导思想，节约能源，维持现在生态平衡的状态，推动化学工业发展。
3结语
关键词：化学反应工程；教学；计算机
引言
化学反应工程[1]是是教育部确定的化工类专业的主干课程之一，是以无机化工、有机化工、煤化工和石油化工生产过程中的化学加工过程为背景，按化学反应与动量、热量、质量传递相互作用的共性归纳综合的宏观反应过程；是将化学反应原理与化工反应设备相结合的一门学科。化学反应工程既是一门专业课，同时，也是一门具有普遍指导意义的基础性工程学科，它和工程实际密切相关，具有很强的理论性和应用性。该课程主要涵盖反应动力学和反应器设计与分析两个方面的内容。其中，化学反应动力学的测定需要对实验结果进行分析、拟合，这些过程均需要进行大量的计算；在反应器的设计计算中，在确定数学模型时，涉及到微积分、数值计算等过程，计算繁琐[2-3]。如能在教学过程中合理的应用计算机，将繁琐的计算过程简单化，并能将计算结果以图示和表格的形式呈现出来，将会使这类问题迎刃而解。
1在化学反应工程教学中应用计算机的必要性
在计算机的应用过程中，计算机软件起着非常重要的作用。计算机软件是计算机技术的一个重要的方面。化学反应工程课程中计算及数据处理占据比重较大，在学习过程中，涉及到微积分计算、常微分方程求解、迭代运算等内容，需要学生分配大量的时间做相关的计算，这往往使得学生过分关注计算过程而忽略了反应器设计及分析的核心内容[4,5]。要发挥计算机在教学中的辅助功能，软件是一个核心因素。常用的软件除日常教学中熟知的PowerPoint、Word及多媒体播放工具等，具有强大数据处理能力的软件在化学反应工程教学中更能发挥其优越性[6]。本文将以Excel和Origin两类软件为例来阐述计算机在反应工程教学中发挥的作用，将该课程的理论知识与实践有机的结合起来，锻炼教师在教学过程中应用计算机软件的能力，巧妙的利用这两类软件调动学生的学习积极性并解决相关实际问题[7]。
2计算机在化学反应工程教学中的应用实例
化学反应工程的主要研究对象是工业反应器，即如何使化学反应在工业生产中有效地实现。这一过程的实现需要多方面的知识，其中化学动力学是所需的基础知识之一[1]。2.1动力学方程本文以程序升温条件下神华煤的水蒸汽气化反应为例，进行气化产物的动力学计算，将Excel和Origin两类软件应用在反应动力学这一章节的教学过程中。反应工程课程教学过程中，有这样的结论：由阿伦尼乌斯方程对数式（式（1））可知，lnk对1/T为线性关系，此关系只适用于一定的温度范围，不能外推。虽大多数情况下，阿伦尼乌斯方程均能表示反应速率常数与温度的关系，但某些情形下，lnk与1/T不成线性关系[1]。在教学过程中，直接得出此结论，学生没有深刻的认知，如举实例证明此结论，教学效果将更佳。2.2求解过程记录实验过程中神华煤程序升温条件下水蒸汽气化反应生成气体H2的浓度随温度变化的值，将所得数据导入至Excel表格中。实验条件如下：反应温度范围500-850℃，升温速率2℃/min，每五分钟记录一组实验数据。将记录的H2浓度值用Excel的公式功能换算成H2的生成摩尔量并进一步计算出各个时刻对应的累积生成摩尔量。选取温度范围为610-730℃的点绘制曲线，并用Origin的线性拟合功能进行线性拟合（图3），线性拟合结果截图如图4所示，拟合后直线斜率可视为-E/R，截距为ln(A/)，线性拟合的相关度R2=0.993，线性度较好，说明所选取的动力学模型较符合神华煤的气化反应特性。根据图4数据计算可得神华煤在该程序升温水蒸气气化过程中生成气H2的活化能E值为150.2KJ/mol，指前因子A为7.62³105，计算结果如表1所示。该数据可为反应器的优化和设计提供依据。通过以上计算及作图过程可知，应用Excel和Origin两类软件可将繁琐的计算过程简单化，并能将计算结果以图示和表格的形式呈现出来，较传统的教学过程更加灵活、更形象化，有助于学生理解和掌握反应工程课程学习中的知识点，能激发学生的学习兴趣，使教学效果更佳[8]。
3结论
化学反应工程既是一门专业课，同时，也是一门具有普遍指导意义的基础性工程学科，它和工程实际密切相关，具有很强的理论性和应用性。利用计算机软件庞大的数据处理功能进行辅助实验教学，使学生更加直观、便捷的掌握教学内容，得到全面的技能操作实践，并获取完善的知识体系和完备的综合能力。Excel和Origin两类软件是综合性较强的软件，操作便捷，结果可靠，是解决反应工程实际问题的有力工具，在教学过程中，合理有效的利用计算机软件不仅可以将复杂的数学推导及数据处理简化，加深学生对反应工程中涉及的知识点的理解，而且能够提高学生的计算机应用能力，调动学生的学习积极性，使得学科之间能够融会贯通。另外，利用计算机技术解决反应工程中的实际问题也是化工行业对于该专业人才的基本要求。因此，将计算机应用在化学反应工程教学中有着重要的现实意义。
参考文献
[1]李绍芬.反应工程[M].北京:化学工业出版社,2013.
[2]吴现力,王菊,杜春华,等.化工辅助软件在化学反应工程教学中的应用[J].教育教学论坛,2016,5(18):176-177.
[3]谢兴勇,祖维.案例教学法在化学反应工程教学中的应用[J].广州化工,2013,7(40):158-163.
[4]宋颖韬,党明岩.MATLAB在反应工程计算中的应用[J].广州化工,2012,4(40):191-193.
[5]吴现力,王菊,杜春华,等.Excel软件在化学反应工程教学中的应用[J].教育教学论坛,2016,5(21):264-265.
关键词：燃料；燃烧；教学内容；设计
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）40-0113-02
在当今全球节能减排要求日益严格的背景下，国内外燃料、燃烧理论及燃烧应用技术发展很快，“燃料与燃烧”作为我校本科热能与动力工程专业方向的骨干基础课，其教学效果对学生后续专业课学习和未来工作均有重要影响。
“燃料与燃烧”课程教学内容涉及众多专业，知识结构比较繁杂。基于我校培养适应社会发展的高素质、创新型人才的目标，在制定新版教学大纲时，广泛征集了用人单位、兄弟院校、教师和校友的意见，重新优化设计了“燃料与燃烧”课程的教学内容，考虑到燃烧理论是所有热机的基础，增加了燃烧基本理论方面的内容，尤其是与内燃机、燃气轮机和锅炉相关的理论。
一、“燃料与燃烧”课程教学内容
1.燃料。本模块主要包含：固体燃料、液体燃料、气体燃料的来源、种类、组成；燃料性质、物性参数的定义和表示方法等教学内容。
2.燃烧过程的物质平衡与热平衡。本模块主要包含：燃料的热值、过量空气系数、当量比；完全燃烧所需的空气量及燃烧产物组分的计算、不完全燃烧产生的烟气量、不完全燃烧方程式；完全燃烧与不完全燃烧时燃烧温度、实际燃烧温度、提高理论燃烧温度的途径等教学内容。
3.化学反应动力学。本模块主要包含：化学反应速度、基元反应、质量作用定律、反应分子数与反应级数、反应级数的确定方法；化学反应速率及其影响因素、各种级的单步化学反应、串联反应、竞争性反应、逆反应、链锁反应、链分枝爆炸、爆炸极限等教学内容。
4.燃烧系统守恒方程。本模块主要包括：分子传输方程；基本守恒方程；流动边界与热边界层等教学内容。
5.着火和燃烧界限。本模块主要包含：燃烧现象的分类；着火爆炸与熄火现象为化学动力学控制的燃烧问题；自燃与引燃、引燃成功条件，各种参数对着火的影响；热球点火与火花点火问题；燃烧界限的影响因素；等等教学内容。
6.预混气的燃烧。本模块主要包括：爆震波和缓燃波、雨果尼奥曲线及性质、雨果尼奥曲线上熵的变化、爆震波后已燃气的速度与当地声速的比较、爆震波的结构等教学内容。
7.层流预混火焰。本模块教学内容包括：热理论、化学和物理参数对火焰传播速度的影响、火焰传播速度的测量方法、火焰在层流气流中驻定的原理、火焰淬熄等教学内容。
8.层流扩散燃烧。本模块教学内容包括：层流扩散火焰的伯克和舒曼理论、燃料射流的唯象分析和层流扩散火焰射流等教学内容。
9.气体湍流燃烧。本模块教学内容包括：湍流火焰的唯象方法、湍流模型、非预混反应物的化学反应湍流和预混反应物的化学反应湍流等教学内容。
10.液体燃料的扩散燃烧。本模块主要包含：斯蒂芬流、单油滴的蒸发及质量燃烧速度、液滴寿命的计算；气流中的燃料液滴；在静止介质中液滴的超临界燃烧、内部回流对液滴蒸发速率的影响；火焰的位置、燃料蒸汽、氧气、产物及温度的分布、喷雾燃烧的概念；喷雾贯穿距离、喷雾角和颗粒平均直径；等等教学内容。
11.固体燃料的燃烧。本模块主要包括：固体燃料的燃烧过程、固体碳粒的燃烧、碳粒燃烧的化学反应、扩散与动力控制的碳粒表面燃烧等教学内容。
12.燃烧污染与防治。本模块主要包括：NOx的生成与防治、SOx的生成与防治、烟尘的生成与防治等教学内容。
13.船舶动力装置的燃烧。本模块主要包括：船舶柴油机的燃烧技术、燃气轮机的燃烧技术和船舶锅炉的燃烧技术。
二、“燃料与燃烧”教学设计
“燃料与燃烧”课程教学目的是使学生掌握燃料特性和燃烧基本理论，具备利用理论知识分析和研究燃烧现象和燃烧装置的能力。教学过程中应注意以下几点。
1.夯实基础知识。“燃料与燃烧”是研究燃烧规律的一门课程，它以高等数学、大学物理、大学化学和其他基础课的知识基础为支撑，课程中有很多非常基础的知识点，后续燃烧理论、燃烧模型都是在其基础上发展起来的。在课堂教学中应特别注意这些知识点，要讲全讲透，才有可能有良好的教学效果。
2.注重知识综合运用。“燃料与燃烧”课程是热能与动力工程专业的基础课程，教学内容直接应用到后续各专业方向的骨干课程中，如“内燃机原理”、“燃机原理”、“锅炉原理”和“内燃机排放与污染控制”等一系列课程。在课程教学中，应突出“燃料与燃烧”课程的特色内容，同时兼顾相关课程和相应的交叉课程，提高学生综合运用知识的能力。
3.增强教学体系结构的系统性。注重与前续基础课程、后续专业课程间的衔接，但又要避免课程内容的交叉重复。根据教学目的和检测要求，不断优化热能与动力工程专业方向的课程体系教学内容结构，增强课程体系的系统性和完整性。
三、“燃料与燃烧”课程教学的重点、难点及相应解决措施
化学反应器根据其反应体系相态的不同，可以分为均相和多相两大类，与均相反应过程相比，在多相反应器中各相之间往往存在着传递过程，包括热量传递和质量传递，传递过程的存在对多相反应过程的结果必然产生与均相反应过程不同的影响。例如在气固相催化反应工程中，气固相之间存在反应物与产物之间的质量传递，并进而发生热量传递，当反应过程较快而外扩散过程较慢时，过程表现为外扩散控制，无论本征反应速率如何，表观反应级数总为一级，表观活化能总为外扩散过程活化能;又如在气液相反应过程中，气相与液相之间也存在着反应物及反应产物之间的质量传递，质量传递过程的存在也必然影响到反应速率，尤其是反应速率较快时更是如此。
虽然两类反应器之间存在着一定的差别，但均相反应工程无疑是多相反应工程的基础，多相反应工程所涉及的各相中所发生的过程可认为与均相反应过程无异。因此，在均相反应工程中所建立的许多重要概念、理论和方法，完全可以原封不动地应用到多相反应器理论的讨论中去，如在均相反应器模拟时建立的轴向扩散概念，在建立多相反应器模型时便可以完整地移植过来;又如平推流和全混流概念，两类反应器中都有着极广的应用。
因此，主要针对“均相反应器”开发过程以图形形式显示其内在逻辑结构(图3)，以使学生在学习本课程后能在头脑中形成化学反应工程学科的完整印象，从而更好地将其应用于实际反应器的开发过程中。
由图3可知，即使是均相反应器，相互之间也存在着很大的区别，因此，第一步是必须要对它们进行分类，可见分类的方法是本学科建立的基本方法。通过分类，人们更清楚地认识到各反应器之间的异同点，如均相反应器按几何形状划分可分为管式、塔式和釜式反应器三类;按换热方式可分为绝热、等温和变温反应器三类;按操作方式可分为间歇、半间歇和连续反应器三类;而按混合方式又可分为平推流、全混流和非理想流动反应器三类。根据反应器不同的特征对其进行划分，所产生的结果可能不同，但由此而获得一个极为重要的工程概念，即反应器型式。反应器型式在反应器设计优化中属于三大决策亦量之一，十分重要，在反应器设计中的第一步即是根据反应过程的特点确定反应器型式。
由图3还可以看出，针对化学反应器的开发，一般采取两种方法，一是数学模型法，二是经验放大法。在化学反应工程课程中主要讲解的是数学模型法，其基本思路是，应用分解的方法将实际反应器分解为两部分，即过程和反应设备。过程包括化学反应过程和传递过程，由于反应过程规律和传递过程规律相互独立，故对其规律可分别进行研究。而反应设备则主要包含反应器型式和几何因索两大类。
为研究化学反应过程规律，必须要消除掉传递过程的影响，由于化学反应规律和设备大小无关，故化学反应规律可在微型(或台式)反应器中进行。这一点非常重要，如化学反应规律在微型反应器中进行研究，则不仅节省了大量的资金，更重要的是在微型设备中易保持纯化学因索的影响，获得的反应性质、规律可以应用到不同规模的任何反应器中。化学反应过程的性质一般包括化学计量性质、化学反应平衡性质及化学反应动力学性质。
化学反应计量性质是反应平衡性质和动力学性质的基础，对平衡性质和动力学性质的研究都是基于反应计量性质明确的基础上进行的，计量性质主要包括反应系统中各组分之间的定量关系，及系统中独立的反应数。
反应平衡性质主要包括反应热效应和反应极限的计算，尤其是反应平衡常数及平衡转化率的计算。对可逆放热反应而言，平衡性质对过程的影响较为复杂，温度的升高对反应动力学速率往往是有利的，但对平衡而言，平衡常数随温度的升高而降低，所以温度对平衡性质和动力学性质的影响呈现相反的趋势，从而引起问题的复杂化。通常对可逆放热反应存在着最佳温度，且最佳温度随组分转化率的不同而不同，因此，在整个反应过程中，存在一最佳温度曲线，反应沿着最佳温度曲线进行，在转化率一定时，可以使用较少的催化剂。同时还须认识到，在反应后期，即较高转化率接近化学平衡时，反应过程往往是由平衡因索控制的。
化学反应工程研究的主要内容是化学反应动力学规律，化学反应动力学特性是化学反应器选型、操作方式和操作条件确定及反应过程优化的重要依据，因此，反应动力学测定是十分重要的工作。然而，反应动力学的精确测定是一项独立于工艺试验之外的专门实验，它不但要求具备满足实验精度的特定设备，而且在具体进行时又有相当可观的实际工作量。因此，进行动力学测定极为重要，其基本思路如图生所示redlw.com。
动力学方程通常分为3种形式，一是纯机理型方程，二是半经验半理论型方程，三是纯经验方程。基于碰撞理论、过渡态理论及分子动态学而推导出来的纯机理型方程，一般仅对简单反应体系适用，当前反应工程学科应用这类动力学方程进行反应器设计的并不多见。工业反应体系往往极为复杂，但作为动力学研究发展的方向，纯机理型动力学方程应是每个化学反应工程研究者必须努力的目标;纯经验性的动力学方程如描述微生物生长的Monod模型在反应器设计中亦常常使用，但反应工程学科通常使用的是半经验半理论的动力学方程，图生所示指的就是此类方程。
建立动力学方程模型的基本思路一般是先设定一定的基元反应机理，该机理通常分为两类，一是有限基元反应组合机理，二是链式反应机理，在此前提下，根据拟平衡态假设或拟定常态假设，可以推导获得一定形式的动力学方程。动力学方程通常分为两种，一是幂函数型，另一种是双曲函数型。视方程当中是否含有一阶微分，动力学方程又可分为积分式和微分式两种。
在动力学方程确定后，方程中包含两类物理量，一是伴随反应过程变化而变化的因索，通常是指反应温度、反应物浓度及反应时间;另一类是在反应过程中相对稳定的、反映反应过程性质的模型参数。模型参数无法由模型本身获得，必须通过实验确定，这也正是该动力学方程被称为半经验半理论的原因所在。因为模型参数必须由实验确定，于是就必然涉及实验的设计。实验设计内容通常包含两个方面，其一是实验用反应器的选择，其二是实验条件的确定。实验用反应器类型与工业反应器类型大同小异，不同之处仅仅表现在规模程度上，实验室反应器规模小，通常为11左右，因此，其传递过程影响易于消除，任意个对反应结果的影响主要是纯化学因索，如此易于反映反应过程的本质。而实验条件的设计方法包括两种，当独立的组分数仅为1个时，实验可采用单因索法，当独立的组分因索多于2个时，则往往采取正交实验设计方法。
通过实验获得一系列实验数据后，接下来的问题是必须求解出动力学模型参数，求解动力学模型参数的方法有积分法和微分法。基于积分式动力学方程的求解方法称为积分法，基于微分式动力学方程的求解方法则称为微分法。在大多数实际情况下，模型参数求解方法采用的都是微分法redlw.com。
当反应动力学规律确定后，必须要研究在实际工业规模反应器中通常出现的传递过程规律。为研究传递过程规律，通常可以在没有化学反应的情况下进行，这是因为传递过程是反应器的属性，基本上不因化学反应的存在与否而异。对于一个特定的工业反应过程，化学反应规律是其个性，而反应器中的传递规律则是其共性。因此，传递规律受设备尺寸的影响较大，必须在大型装置中进行。由于需要考察的只是传递过程，不需实现化学反应，完全可以利用惰性物料进行试验，以探明传递过程规律。正因如此，这种试验通常称为冷模试验。
进行冷模试验研究传递过程规律时需要关注的一个重要问题是:所选模拟设备的大小，即传递过程应在多大规模的模拟设备中进行?为保证所获得的传递参数准确、有效，所遵循的原则是必须保持在模拟设备中发生的传递过程与实际反应器中所发生的传递过程应“相似”，即符合“相似性原理”。冷模试验设备的大小必须依据此原理进行选择和设计。
在对反应过程和传递过程进行了充分的研究后，需要对相关成果进行综合处理，这一阶段主要是在计算机上进行模拟并完成的，如图5所示。
同时，为验证模拟结果是否可靠，还必须进行中等规模的试验，即中试，又名热模试验。热模试验存在3个问题需要解决，一是试验规模，二是试验的完整性，三是运行周期。如果热模试验结果与模型计算结果相符，说明模型正确，能够反映实际规律;如果不相符，则需要修正模型，直至与热模试验结果相符为止。
具备了传递过程规律和小试测定的反应过程规律，并且经过了热模试验验证，就能直接设计工业反应器了，这样就不存在设备的放大问题。数学模型方法本身可以直接通过计算就能获得大型反应器的设计，说明工业反应过程的开发并不必然地必须经过由小型反应器到中间规模反应器再到工业规模反应器的整个过程。
最后应当要注意的是，数学模型法要想获得成功，必须要具备2个基本前提:一是它要求有可靠的反应动力学方程;二是还要有大型装置中的传递方程，两者缺一不可。
例如，固定床反应器，虽然不少反应的动力学模型研究较为完整，然而由于具体工业反应器模型参数难以正确测定，尤其对复杂的工业反应，其本征动力学参数也难以把握，因此，对固定床反应器的数学模拟放大，迄今尚未有比较满意的工业应用。
化学反应动力学测定虽然有相当大的工作量，但它毕竟可以在小装置中进行。而工业反应器的传递模型却不是小装置所能解决的，它不但要求大型冷模试验和必要的热模检验，还需要工业规模的测试数据和工程研究的长期经验积累。因此，当没有可靠的大型设备传递模型时，数学模拟放大只能是纸上谈兵。此时，精确的动力学测定必然是徒劳的。当然，这并不意味着不需要有关的动力学知识和对反应动力学特征的认识。一个开发者应当充分具备动力学基础知识，并据此巧妙地安排工艺试验，以便把握反应动力学特征和有关影响因索，为工业反应器的选型和优化服务redlw.com。
由此可见，从化学反应工程的观点出发，机理的、定性的、半定量的动力学特征研究应当是结合工艺试验进行的重要任务。只有当工业反应器的传递模型足够可靠时，精确的动力学实验才是必要的，并可用于数学模拟放大。
2 化学反应工程思维方式
如上所说，在剖析化学反应工程课程各知识点及相互逻辑关系时，本研究采用了分类、分解和综合的思维方式，而分类、分解其实属于分析的方法。所以，分析、综合是反应过程开发中的基本方法，应深加注意，其中尤以分析方法更是在各种科学思维方式中处于最基本的地位。对于图3、图5所示的化学反应工程逻辑结构，当将它们具体应用到实际的化工过程开发中时，也可用图6简略地表示。图6表示了化学反应工程课程所提供的特有的工程思维方式。
3 结语
