化学反应工程范文1
[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
3.1教学内容改革
《反应工程》课程中理论知识居多，如反应动力学方程的建立、反应器模型及反应器的计算部分，偏重于模型建立和理论推导，虽然有例题辅助理解，但是一旦涉及到实际应用，学生还是无从下手，尤其是反应器选择和设计上。现有的案例教学，通常是针对各个知识点，引入不同的案例，每个案例只对当前知识点有加深理解的作用，但是各案例之间缺乏相关性，一旦遇到大型工程设计问题，学生无法对问题进行解剖分析。如每年举行的“全国大学生化工设计竞赛”，想参与的学生很多，前期报名都很踊跃，但是很多同学在工艺过程确定的过程中就放弃了，主要原因就是对工程问题缺乏理解分析的能力，无法将学习的理论知识与之相关联。尤其是在反应器部分，动力学方程的建立及反应过程模拟都是常见的难题，笔者在历年指导参赛学生过程中深有体会。因此考虑在教学中引入经典的合成氨工艺过程为教学案例。首先，精心分解课程知识点；然后将案例按照所包含的知识点类别，分解成不同的过程模块；按照知识点顺序调动相关过程模块，融汇讲解。截至反应器设计部分，完成整个案例，让学生更深切的认识、理解工程问题，以及如何将理论知识应用于解决复杂工程问题。
3.2教学方式改革
3.2.1围绕精选知识点的研讨式教学
精心选择适合知识点，利于展开课堂讨论，并对知识点进行分解，与教学计划相结合。教学过程中灵活创设问题情境，如，分析反应器时，以合成氨过程的反应器为分析对象，讨论其催化剂装填特点、操作条件及方式等，建立互动模式。教师作为启发者和引领者，让学生相互交流，发现有价值的问题，提升学生学习积极性，以及增强发现问题和解决问题的能力。
3.2.2案例教学与仿真实验相结合
选择典型经典的合成氨工业过程为教学案例，结合学生的实习认识，利用仿真实验室具备的合成氨仿真实验，加强学生对整个工艺过程的理解。对固定床反应器进行深入探讨，让学生对固定床反应器内气－固相反应过程、反应器的选型及操作原则等有所体会，能结合理论知识初步对化工生产过程的实际问题进行分析、在对操作过程进行的模拟调整中，深刻体会工业过程中各个环节的相关性，达到深刻理解、精确总结、熟练运用的目的。
3.3考核方式改革
建立课内实践和期末考试相结合的考核方式。取消平时成绩项，增加课内实践作业项，具体考核方式为：课内实践和期末考试，分别总成绩的40%和60%。课本上的课后作业因为有答案，作为学生自选完成的内容，不参与平时成绩的构成。课内实践结合教学案例，让学生对案例中反应器选择、设计、催化剂的确定等部分进行分析改进，辅助Aspen等软件的应用。在期末考试方面，增加案例分析方面的试题。
4结语
根据工程教育背景下对化工专业的要求，重新设计了《化学反应工程》的教学内容、教学方式和考核方式，结合知识点开展研讨式教学，并选用经典的合成氨过程将案例教学与仿真实验相结合，优化教学内容，提升评价体系，提高学生参与课堂学习的主动性与积极性。可为理论知识在实践中的应用提供预演式平台，从而使学生在实习、实践、课程设计、设计大赛、毕业设计过程中能更熟练的运用所学的理论知识，为毕业后解决实际工程问题打下坚实的基础。
参考文献
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化学反应工程范文2
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
化学工程中的分离技术是以生产过程中混合物的分离和产物的提纯为研究内容，达到能量高效化的目的。在分离技术的诸多分支中，膜分离技术和萃取技术已在我国化工生产中得到广泛应用。今年来比较新的热门的分离技术有：超临界流体萃取技术、膜分离技术、分子蒸馏技术和不同分离技术下产生的耦合技术等。超临界流体萃取技术拥有保护热敏性物质、效率高、成本低、能耗低等优点，对环境也是无毒无害，原料高效应用的同时还能够保护环境。这种技术主要应用在医药和化学工业中，对有效药用成分的提取及药品的浓缩精制、油渣深加工等问题有巨大的贡献。膜分离技术从诞生至今已有一百多年的历史，主要是实现对混合气体或者液体的分离、提纯和浓缩。我国这这种分离技术方面已经达到国际先进水平，目前仍旧是化学工程技术中的热点。主要应用在医药、废水处理方面。我国的水污染还是比较令人担忧的，膜分离技术的应用可以有效地治理水污染。分子蒸馏技术是利用不同物质分子之间的运动平均自由度差异来实现分离的。在真空条件下进行，适用于高沸点、易氧化的物料。因为是利用物质的物理特性进行的分离，故不会损坏物质的结构、特性，并且在分离过程中无污染产生。主要应用在精油提纯和医药工业方面。在实际工业生产中，往往会用到不只一种分离技术，将多种分离技术组合的方式即为不同分离技术的耦合。应用比较广泛的有膜萃取技术和超临界流体技术与膜分离技术耦合。我国在分离技术方面研究投入一直在不断的加大中，也取得了不俗的成绩，但是还没有达到发达国家的研究水平，仍需要化学工作者不断努力。又由于分离技术牵扯到机械、信息技术等专业，所以在化学家们自身努力吸收国内外先进研究成果的同时，对化学反应的设备也需要不断创新更新，不拖后腿。
1.3超临界化学反应技术
超临界化学反应是指在反应物处于超临界状态或者反应在超临界介质中进行的一种化学反应。在超临界状态下，压力对反应速度常数有非常大的影响，细小的压力变化可能会引起反应速度的急剧变化；使得反应物产生均相反应而非多相反应，消除反应物与催化剂之间的扩散；可以降低一下高温反应的所需温度；通过调节温度和压力，可以使失活的催化剂重新富有催化作用。超临界化学反应技术在酶催化反应、加氢反应、固体催化反应和F-T合成反应中都有广泛地应用。科学家们发现酶在超临界二氧化碳作介质时，具有水解性、酯化和氧化反应活性，能够促进酶催化反应，并且酶的活性与超临界状态下的压力无关。对化工业的生产具有极大的促进作用。无论是超临界二氧化碳下的加氢反应还是超临界一氧化碳下的加氢反应，某些反应中的催化剂活性都比相同反应条件下的溶液环境的高，并且更加稳定。在超临界状态下进行固体催化反应，可以抽提出失活的固体催化剂表面上的积碳结焦等物质，从而恢复固体催化剂的活性。超临界固体催化反应拥有速度易控制、生产安全性高等特点。在超临界状态下的F-T合成反应可以避免引起催化剂失活和阻塞催化剂微孔问题，具有传热快、传质速度快等优点。超临界水氧化法是最近几年研究的热点，主要用来处理有机废物和废水。它可以完全消除有害物质。
2化学工程技术的发展趋势
微米和纳米技术的流行，使得化学工程技术得到了更大的发展。将化学家们的目光吸引到微细尺度传热学上来，同时在时间尺度和空间尺度上对物体进行细微研究。现金细微尺度研究理论已经在化学工程技术中独成一派，研究理论已经初具规模，给企业创造了巨大的经济效益，因此仍旧具有很大的发展空间。鉴于国家对环保事业、污染治理等环境问题的重视度越来越高，化学工程技术将会得到更加大的财政资助，化工产业将会得到大力度地扶持。应工业化进程的需要，还有越来越多的企业自发的加大在化学工业技术的研究投入，所以化学工业技术的发展空间仍旧巨大。在巨大的经济效益的诱惑下，诸多化工企业会选购现金的化学反应设备来提高产业产值，而化学家们为了取得先进的成果，会不断改善或者发明新型化学反应设备。促进了化学工程与材料科学的结合。在信息化程度日益提高的今天，化学工程也正在不断地与信息工程相结合，化学家们可以借助四通八达的信息技术快速收集到数据，加快实验进程；借助计算机快速计算的能力来提高化学元素和化学反应条件的分析能力以及化学研究的准确性。国内诸多名校已经开展应用先进的信息处理技术来孵化出化学工程的新型研究形式，值得全力推广。化学工程技术从实验室理论逐步向实验、计算和理论三者相结合的方向发展，具体的研究方向有复杂系统、微过程和系统、大系统、计算化学工程、产品导向的研究和资源导向的研究等。在新能源、新材料和生物技术等新兴产业，化学工程技术起着重大的作用，利用化学工程技术为新兴产业提供更好的服务，不断发展相关学科理论。由此目标滋生出的材料化学工程是现今化学工程技术的热门学科，其主要内容是发展新技术和集成技术。新材料的生产能够解决化学工程技术中的难题，而化学工程技术又为新材料的产生服务，两者相互渗透、交叉，只有同时发展好才能共同推动中国的工业化进程。
3化学工程技术在发展过程的建议
化学工程与信息、生物、材料、计算机、能源等众多产业都有交集，相互之间都有一定的推动作用，这就需要我们在不断更新有关化学工程技术方面的理论知识外，也要不断关注相关产业、学科的新技术、新动态，把握最新的研究成果来提高化学工程技术。在化学反应的设备上，政府、企业加大经费投入的同时，也需要实时创新，为更好的化学反应成果创造条件。在人才培养上，学校应把理论培养的重心转移到理论、实验和数据三者结合的模式上来，为国家培养实用型人才。化工企业也要对相关职务人员进行业务上的培训，不断提高整体的业务水平。
4结语
当今社会，绿色化学技术、分离技术和超临界化学反应技术等都是化学工业技术的研究热点，对化学工业技术不断地革新可以帮助我们治理环境污染，高效利用可再生资源和非可再生资源，保护环境，促进材料、能源、航空等其他高新产业的发展，促进工业化进程等等。我们可以从理论知识实时更新，加大设备投入和人才培养上逐步提高化学工程技术。
参考文献：
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化学反应工程范文3
［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
计算机模拟作为一种新兴技术手段，具有成本低、速度快、资料完备及可模拟各种工况条件下的操作等优点［6］。计算机模拟可以将化工设备及原理以生动、直观的形式反映出来，不仅能激发学生的兴趣，而且能有效促进学生对基础知识的学习和掌握。计算机模拟技术还可以有效、真实地反映工况，进行复杂的工程化设计和分析，增强学生的工程意识，使其建立理论与实践的联系。化学反应工程模拟具有多层次的特性，如基于MS、HyperChem软件的微观分子反应模拟，基于Fluent、MFIX、EDEM软件的介观反应器模拟，以及基于Aspen Plus、PROII软件的宏观化工流程模拟。化工过程常涉及诸多化学反应、反应器、反应流程及系统，综合性较强，学生只有在学好本学科各门课程的基础上进行关联，才能融会贯通。借助实验室现有的模拟软件，教学中可以构建以多层次模拟实现过程为导向、强化课程间关联的模拟机制［7］。经多层次模拟软件的综合应用及相关课程的关联，学生才能从微观到介观再到宏观，逐步加深对化工过程的理解。
（三）以项目驱动培养创新型人才
解决企业招聘难、学生就业难等一系列问题的关键是培养符合市场和企业需求的创新型、复合型人才。化学反应工程作为化学工程学科的重要课程，涉及传热、传质、化学反应等复杂过程，不仅要让学生掌握基本理论知识，而且要让学生学会利用基本原理解决工业实际问题，具备从实验室体系到工业体系跨越的能力。因此，教学改革的重要目的是结合实际工业项目，提高学生分析和解决工程问题的能力，即以项目驱动培养创新型人才。项目驱动教学主要落实在课程设计和毕业论文等综合教学环节中。教师可以鼓励学生进入课题组，结合工程项目实例进行学习，并借助模拟软件对复杂化工问题进行多层次模拟和分析，从基础化学理论到反应器再到化工流程，逐步加深对化工过程的理解，提高实践应用能力；同时通过学习软件和阅读英文文献，提高英文水平。在此过程中，教师还可以工程应用实例反哺教学，回归教学的本质，形成项目驱动促进教学的全方位人才培养机制，培养符合社会需要的国际化优秀人才。
二、教学改革实施
针对化工类学生普遍存在的缺乏学习兴趣及工程意识薄弱的现状，本次教学改革力求改进和优化化学工程学科的教学模式，充分激发学生的学习兴趣，提高学生的实践应用能力，进而促进本学科优秀人才的培养。下面以化学反应工程课程教学为例，介绍本次教学改革的实施。
（一）借助模拟软件实现多层次模拟
计算机模拟技术的兴起和发展促进了工业实验研究，降低了试验风险，推动了课程教学的发展，使学生的学习能力得到了提高。在课堂上，教师向学生介绍模拟软件的发展和应用，通过具体案例详细说明利用模拟软件解决工程问题的方法与步骤，让学生在熟悉基本原理的同时学以致用。学生组成若干小组，各组员明确分工，利用软件自行学习并请教相关课程老师，独立完成任务，然后共同讨论和分析各部分存在的问题并加以改进。教师要求各小组成员相互合作，借助模拟软件将化工过程进行分解，首先模拟分子反应层次过程，解决微观化学反应实现的问题；其次模拟反应器层次过程，解决介观的传递、流动、反应耦合的问题；最后模拟化工流程层次过程，解决宏观的流程和系统优化的问题。通过以上多层次、多尺度的模拟及强化，学生可以更加深入地了解由微观到介观再到宏观的化工过程，不断提高分析与解决问题的能力。值得注意的是，不同专业的课程涉及不同的学科知识，本次教学改革措施有望应用到其他学科。
（二）结合工程实例实施多层次分析
在化学反应工程的教学过程中，教师可结合工程案例，由浅入深、由简到繁地分层次讲解基本知识。如在讲授聚乙烯合成工业时，教师首先应该从聚乙烯合成反应原理（即分子层面）入手，随后进入分子、反应器层面，包括实验室规模和中试规模，最后以反应器为操作单元带领学生逐步认识和了解工业化工流程层面。此外，教学中应设置工程应用实例分析环节，对学生加强多层次过程分析的引导；结合具体的工程实例安排学习任务，让学生以团队合作的形式，将课堂所学理论知识应用于分析并解决具体的工程问题；形成具体的考核机制，让学生以书面报告或PPT形式展示案例分析成果，并以合适的权重计入最终考核成绩。
（三）依托教学资源拓展学生国际视野
学习书本知识是基础，而有效地运用知识才是最终目的。本次教学改革的目的就是要提高化学工程学科的教学质量，培养符合市场和企业需求的创新型、复合型人才，推动工业、社会的长足发展和进步。因此，教师可依托现有的工程项目和课题组学术资源，积极鼓励学生进入课题组，通过学习具体项目中复杂的工程实例来强化化工过程模拟软件的应用，并进行多层次的模拟及分析，这样就能在完成项目任务的基础上反哺教学。与此同时，教师可以让本科生与研究生共同学习英文软件，研读经典的英文文献，开拓他们的科研视野，锻炼其科研能力。此外，教师可以借助课题组的资源，为本科生提供到国内外知名高校课题组合作交流的机会，将项目与教学科研相结合，以科研带动项目，以项目驱动教学，从而提高学生的工程思维和英文水平，加强国际校际交流，为培养国际化优秀人才奠定基础。
三、建立高效的教学评价体系
为了评价课程教学改革的成效，我们需要建立一套公平、高效的课程教学评价体系。国际权威认证机构ABET在评价化学反应工程教学效果时有五大要点：1．应用数学和相关工程知识的能力；2．设计实验、分析和处理数据的能力；3．设计满足要求的反应器系统的能力；4．识别、表达并解决工程问题的能力；5．使用现代工程工具的能力［8］。可见，国际上对化学反应工程课程教学的评价，不仅仅关注学生对基础理论的掌握情况，更加关注学生应用现代化工具解决工程问题的能力。以往的课程评价体系主要以考试成绩来评价学生对课程的掌握程度和教学绩效，因此，建立高效的教学评价体系至关重要，改革中应注意以下三个方面。第一，学生层面。除了关注考试成绩，评价体系应注重考查学生对知识的掌握程度和工程实践能力，从多角度体现学生的课程实验设计能力、学术交流能力和解决工程问题的能力等。第二，学校层面。学校应建立全方位、多层次的课程教学模式和评价体系，注重顶层设计，结合产学研项目教学成果，在评价学生对课程的掌握程度和工程实践能力的同时，进一步评判学科影响力。第三，社会层面。结合国家供给侧结构性改革，现代大学应着力培养满足社会和企业需求的应用型、综合性人才，以更好地传承“工匠精神”。教学改革成效应由市场和企业评判，实事求是。综上所述，建立高效的教学评价体系应包括学生、学校和社会三个层面，这不仅关乎学生个人发展，而且对于学科建设、社会发展具有重要作用。
四、结语
改进化学反应工程教学模式、利用计算机模拟辅助教学已成为助力我国化学工程学科走向世界一流的一种有效途径。在传统教学模式基础之上，引入计算机软件模拟，以具体的工程项目实例为依托，让学生对化学反应工程中微观到宏观的多层次过程进行模拟，并应用专业知识完成具体化工过程的强化和优化，有助于加深其对不同层次过程的理解。本文提出的教学改革措施对于提高学生理论水平和实践能力、增强学生化工安全生产意识、提升学生反应器工程设计能力和化工生产流程优化能力具有重要意义。
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化学反应工程范文4
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）
1.2水蒸气分解反应
H2O+C=H2+CO2H2O+C=2H2+CO2当核变生热反应温度升高时，水蒸气正向反应得以完全进行。超过1000℃则可视为不可逆反应,生成一氧化碳的反应速率快于生成二氧化碳的反应速率。
1.3CO变换CO2反应
CO+H2O=H2+CO2+41.0在温度400℃以上条件，该反应即可发生。在温度超过900℃时，与水蒸气化学反应的速率相当。
1.4生成甲烷反应
C+2H2=CH4煤炭与氢气反应，生成甲烷的速率是相当缓慢。但在反应压力增高以及反应物浓度增大，生成甲烷的速率会加快。研究表明，甲烷的生成速率还与煤炭的反应活性有关，煤炭的反应活性越大，则甲烷生成速率越高。
1.5生成天然气化学反应
CO+3H2=CH4+H2O
2CO+2H2=CH4+CO2
CO2+4H2=CH4+2H2O
1.6生成石油化学反应
生成烷烃化学反应：nCO+（2n+1）H2=CnH2n+2+nH2O生成烯烃化学反应：nCO+(2n)H2=CnH2n+nH2O生成甲烷化学反应：CO+3H2=CH4+H2O生成甲醇化学反应：CO+2H2=CH3OH生成乙醇化学反应：2CO+4H2=C2H5OH+H2O除了以上化学反应，还会发生其他副反应，例如生成更高碳数的醇以及醛、酮、酸、酯等含氧化合物。
2该方法的优势
该方法一般在有一定的深度和厚度的煤层应用，同时有很好的盖层和圈闭层。本技术的优势在于可以充分利用核能聚变加热煤层，低成本实现煤层转换成石油天然气。
3可能存在的问题
本文只提出了一种低成本的煤层转换成石油天然气的新方法，但在实施过程中，可能还存在着如下问题：（1）核燃料的选择和投放数量都需要进一步开展研究，施工风险巨大。（2）有井塌的风险。（3）如果措施不当，可能会造成地下核污染。
4结论
化学反应工程范文5
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
第一步，原料处理。化工生产之前，原料处理是一个重要环节，原料不同，处理方法也不同。其中，气体材料多采用净化、加压、加温等处理方法；固体材料多采用粉碎、溶解、融合等处理方法；液体材料多采用蒸发、过滤、沉淀等处理方法。第二步，化学反应。化学反应是化工生产中的关键环节，直接影响产品的质量。具体来说，是以处理后的材料为对象，在一定的温度、压力等条件下进行反应，达到预期反应转化率和收率。目前常用的化学反应类型，主要是氧化、还原、聚合、焙烧、异构化等，获得目标产物或混合物。第三步，产品精制。经化学反应后，得到的产品纯度较低，此时就要进行分离和精制，将杂质、副产物去除，促使产品组成符合规格。值得注意的是，精制过程中的杂质和副产物，可以进行回收再利用，而不能直接作为废物处理[2]。
2.2存在的问题
第一，产品质量低下。在化工企业中，普遍存在重数量、轻质量的问题，不利于工艺水平的提升。首先，化学原料的反应不完全，不仅降低了产品质量，还会造成资源浪费。其次，生产设备的性能不过关，会增加废气、废水、废渣的产量，污染生态环境。以化肥生产为例，对温度和压力的要求高，如果反应器皿的温度不够，因反应不彻底就会产生三废。最后，化学生产工艺不连续，会影响生产进度，一旦前后生产环节相脱节，就会阻碍生产活动的进行。第二，环境污染破坏。原料经化学反应后，生成的固体、气体具有一定毒性，不经处理直接排放，就会污染生态环境。个别化工企业在生产期间，为了提高经济效益，盲目降低成本，毒害物质处理不达标就排放，会造成空气污染、土壤污染、水体污染，甚至人体中毒事件。以印刷、造纸、纺织、金属等行业为例，生产期间易出现重金属超标现象，影响生态环境的可持续发展[3]。第三，管理力度不足。近年来，为了控制化工污染，实现人与自然和谐发展的目标，国家出台了多个法律法规，约束相关行业的行为，通过转变生产模式，走上绿色发展、节能环保的道路。在具体管理中，面对环境污染、生产安全、资源浪费等问题，相关部门的管理力度不足，管理措施流于形式，甚至存在睁一只眼、闭一只眼的情况。而化工企业单纯追求经济利润，没有使用先进设备和技术，忽视了安全、环境等要素，也会造成生产问题。
3新形势下化工生产工艺的优化措施
3.1改进生产工艺
化工企业改进生产工艺，是实现可持续发展的必要途径，具体做法如下：第一，深入研究化工反应的原理和条件，以乙烯合成为例，可以采用裂解石油法，也可以采用乙醇脱水法。要求企业结合实际生产需求，选择合理的生产工艺，既能提高反应效率，又能降低生产成本。第二，严谨选择原料，应考虑到温度、压力、流速、性能等指标，具有耐温、耐压、耐磨、防腐等优势，避免发生破裂、损害、漏滴等问题。第三，合理布局设备，从平面、立体两个角度出发，提高安装精准度，为后续生产作业打下坚实基础[4]。
3.2应用新型能源
一直以来，我国化工生产使用的是传统化石燃料，缺点是燃烧效率低，且会造成环境污染，不满足新形势下的行业发展需求。对此，积极推广应用新型能源，例如电能、太阳能、地热能等，可以提高利用效率，有效保护生态环境。此外，配合使用新型催化剂，可以提高反应速度和程度，减少副产物的生成量，缓解能源浪费现象。
3.3合理处理废弃物
在化工生产期间，废弃物的处理也是一项关键工作。我国地域广阔，自然资源丰富，但人均占有量远低于世界平均水平。西方发达国家的工业发展，采用先污染后治理的道路，我国应该引以为戒，遵循以防为主、防治结合的原则。具体来说，废弃物不能直接排放，必须按照法律规范进行处理；或者进行回收再利用。以废水处理为例，可以采用沉淀法，将重金属离子转化为化合物，从而降低废水的危害，避免造成土壤污染和水体污染。
3.4降低动力损耗
化工生产除了消耗能源外，还会造成动力损耗，降低动力损耗，能节省生产成本，提高经济效益。具体操作如下：一方面，采用变频技术，适当调宽节能调速的范围，能减小电机拖动系统的能源损耗。相比于传统工艺，变频技术的应用可以减小系统磨损，延长使用寿命，不论是输入阶段、还是输出阶段，均能保证系统的动态平衡。另一方面，改造供热系统，化工生产系统是多个设备的有机结合，其中供热系统是一个重点，通过升级和优化，可将系统散发的热量传送至各个设备，实现余热的再利用，避免发生高热低用现象，实现节能降耗目标。
3.5加强生产管理
在生产管理上，首先应该结合生产现状，制定完善的管理制度体系，明确岗位职责，实行生产质量负责制。其次编制合理的奖惩措施，用来激发员工的积极性，树立高度责任心，降低生产风险。最后落实设备的检修养护工作，动态监测运行工况，及时发现问题、解决问题，提高运行稳定性。
4化学工程和生产工艺的未来发展趋势
4.1学科纵深发展
随着化学工程学科的发展，多相物系、高黏度流体、非牛顿型流体的传递规律，成为新的研究课题。针对化学反应中的多重定常稳定态问题进行研究，既能为反应器的设计和操作提供依据，也有利于化工研究和实际应用的结合。化学工程和生产工艺的纵深发展，能延长生产链、提高附加值，满足新形势下化工行业的发展需求。
4.2向新领域渗透
化学工程和生产工艺向新领域渗透，是该学科的客观需要，也是学科发展的动力所在。目前，化学工程的研究与物理工程、生物技术、生物医学工程的发展密切相关、相互影响。总结来看，在化工生产领域以外，只要涉及反应过程、传递过程的项目，均可以用到化学工程的知识和经验。
5结语
化学工程的发展与经济社会的进步密切相关。介绍了化工生产工艺流程，指出生产中存在的问题，例如产品质量低下、环境污染破坏、管理力度不足。对此，应该改进生产工艺，应用新型能源，合理处理废弃物，降低动力损耗，并加强生产管理，以推动化工行业可持续发展。
参考文献
[1]蔡成仪.危险化工工艺生产过程安全管理研究[J].中国化工贸易，2018，10（28）：49.
[2]香永佳.化学工程中化工生产工艺探索及对策[J].读与写，2018，15（21）：194.
化学反应工程范文6
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
化工工艺设计是化学工程师依照化学反应或者化学反应程序设计得到的可以把原料转化成客户需要的产品的生产步骤。化工工艺程序非常繁复，包含了大量的环节，例如化学材料的处理、化学材料的化学反应设计等，假如其中有任何一项内容设计不科学，就会使得化工生产时整体安全性能降低，无法符合社会发展要求。
2.2化工工艺设计的特征
第一，设计条件繁复且变化多。用于生产化工工艺产品的化工设备会受外界环境和内部环境等各个要素的影响，要求完成各种条件因素的实验，在所有条件均衡的环境下才可以用于化工工艺生产程序里，把控生产要素，完善生产的所有环节，最大限度地确保化工工艺产品的质量。第二，设计成本高且工程量大。化工工艺设计的材料都不是平常的工艺原料，是一种独特的原料，并且强大的市场竞争压力，导致所有的化工企业扩大了对设计流传的资金支持，要求大量科研经费的投入，这也导致了化工工艺设计程序的巨大成本。另外，化工工艺设计需要基于化学原理开展，要求化工人员熟悉各个化学原理相应的独有功能后，才可以有效地设计下一步程序，所以，化工工艺设计的工程量非常大。
3化工工艺设计目前的情况以及安全管理的重要性
3.1化工工艺设计目前的情况
化工工艺程序的很多反应都具备引发危险事故的风险，也被称为化工生产中的安全风险，针对安全风险，必须要合理对其进行管理。目前，我国存在很多化工企业。虽然化工企业在具体的工程程序当中都已经设置了安全管理的具体要求，但是其在发展过程中仍然会出现安全事故，这说明我国在化工工艺管理的过程中还存在很多没有被发现的风险，除此之外，部分化工企业对安全管理要求的落实程度不深，不具备较强的可行性，反倒具备形式主义的特征，这无疑不利于化工工艺设计水平的持续提升。
3.2化工工艺设计中安全管理的重要性
明确化工工艺设计中安全管理的重要性十分重要。在化工工艺设计的过程中，往往存在很多危险因素，因为生产时会应用不同的化学药品，这些化学药品一旦发生化学反应，就可能会出现爆炸、燃烧等情况，这些危险的事故一旦发生，不仅会给企业带来极严重的经济损失，甚至还会给工作人员的生命安全造成威胁，所以，必须要在化工工艺设计中保证化学工厂的科学性，加强危险识别工作并采取积极的措施。在化工工艺设计中安全十分重要也十分必要。化学物质的性质较为复杂，对生产环境以及操作都有极严格的要求，因此，必须要对相关因素进行充分的考虑，为工厂的顺利发展打下坚实的基础[2]。
4化工工艺设计中安全管理危险的识别
4.1化工工艺设计物料危险的识别
在化工工艺设计过程中，主要存在物料危险、生产危险、生产装置危险，对这三方面的危险进行识别十分重要。先从物料危险的角度来看，化工生产的物料基本都存在较大的风险，一旦出现工作人员操作失误、材料应用顺序不当的情况，就可能会导致整体化工生产过程出现危险、产生有毒物质，甚至会引发火灾、爆炸等事故，进而危害化工生产人员的生命安全。除此之外，化工生产往往需要在高温的环境下进行，这也提高了对生产操作的要求，在生产过程中如果工作人员不能树立正确的生产意识，就可能会引发安全危险事故[3]。
4.2化工工艺设计中生产危险的识别
在化工工艺设计的过程中，对生产危险因素进行识别十分重要，因为化工生产流程必须要在现实情况中进行优化，只有如此才能够保证原材料之间产生的化学反应能够有效进行，这也需要在保证化工安全生产工艺的基础上对生产流程危险进行识别，虽然不同的化工生产企业在生产流程方面存在的差异不大，但是差异毕竟是真实存在的，这些细微的差异可能会在对审查流程进行选择的过程中造成安全隐患，这也要求相关的设计人员必须要根据工厂的实际情况加强对危险因素的识别，避免在生产过程中出现危险。
4.3化工工艺设计生产装置危险的识别
化工工艺设计中对生产装置危险进行识别较为重要，因为化工工艺设计中会应用到不同的仪器以及设备，对化学装置的选用应根据化学反应进行，不同化学反应所采取的生产装置都存在差异，这也要求设计人员在现实情况中对生产装置内存在的危险进行识别，进而保证生产过程的安全性，除此之外，在生产过程中相关人员还必须要对设备进行维护，加强对操作流程的优化，保证生产过程中的安全性。
5化工工艺设计中加强危险控制的具体措施
5.1对安全管理人员的职业素养进行提升
安全管理的目的在于对风险因素进行控制、防范和协调，所以，在化工企业的生产过程中需要将安全防范措施落到实处，不同的管理人员应秉持同一个原则，就是在强化安全管理意识的基础上做好安全管理培训工作，每个工作人员在安全管理过程中都需要做好本职工作，并增强模拟训练，一旦发生安全危险，工作人员也能够有效、安全地撤离，为化工厂的持续发展打下坚实的基础。
5.2进一步提升化工生产技术
在我国化工生产技术不断进步的背景下，还需要进一步提升化工生产技术，不能在取得一点成绩之后就出现懈怠的情况，要在未来的工作中始终保持严谨的态度。目前，实际化工生产过程中化工企业还存在很多安全隐患，需要引起相关人士的重视。想要合理地促进化工工艺设计水平的提升，就必须要对各个生产环节的安全管理工作进行综合考虑，对化工安全危险进行识别，采取多种不同的防护技术，提升相关部门对问题的重视程度，在生产运输的过程中加强环节指导，根据综合管理理念提升整改措施，最终应用现代化的方式完善化工工艺设计的内容。
5.3对化工实验安全体系进行完善
完善化工实验安全体系十分重要，因为化工工艺设计是保证化工生产安全的主要因素，在设计中必须要通过相关的实验来保证设计的安全性，这也要求相关设计人员必须要在实验环节就做好具体的防范工作，合理保存化学实验品并对其进行处理，避免相关的化学试剂因其存在的危险性给工作人员带来伤害。除此之外，负责实验的专业人员必须要对实验室安全体系进行合理的完善，从而对化学实验的安全性能进行把握，提升化工工艺设计的效率。
5.4加强对化工生产中危险的监管
虽然化工企业在具体的工程程序当中都已经设置了安全管理的具体要求，但是其在发展过程中仍然会出现安全事故，这说明我国在化工工艺管理的过程中还存在很多没有被发现的风险，从这个角度来看，加强监管在各行各业中都是十分正确的原则，尤其是在化工工艺设计的过程当中，必须要对危险因素进行整合，加强监管，因为在化工生产中危险因素较多，所以，相关部门必须要强化思想，深化理论，做好监管工作，相关的操作人员也必须要不断地强化其安全意识，定期开展危险因素的防范工作，让每个工作人员都能加深对危险化学性质的了解，对自己严格要求，遵守相关的标准和规范。最后，相关领导也必须要强化对监管的检查，保证生产安全并提升管理质量。
6结语
在化学工艺设计过程中会应用到不同的危险化学品，这些危险化学品之间一旦发生化学反应，就可能会出现爆炸、燃烧等情况，不仅会给企业带来极严重的经济损失，甚至会对工作人员的生命安全造成威胁，所以，必须要在化工工艺设计中保证化学工厂的科学性，加强危险识别工作并采取积极的措施。在化工企业的生产过程中需要将安全防范措施落到实处，不同的管理人员应秉持同一个原则，就是在强化安全管理意识的基础上做好安全管理培训工作；想要合理地促进化工工艺设计水平的提升，就必须要对各个生产环节的安全管理工作进行综合考虑，对化工安全危险进行识别，采取多种不同的防护技术；因为化工工艺设计是保证化工生产安全的主要因素，在设计中必须要通过相关的实验来保证设计的安全性，这也要求相关设计人员必须要在实验环节就做好具体的防范工作，合理保存化学实验品并对其进行处理。
[参考文献]
[1]顾杰.关于化工工艺中的安全管理探究[J].化工管理，2018（30）：125.
[2]李卫平，耿来红，蒋捷，等.化工工艺的风险识别与安全评价研究[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39（12）：5-6.
化学反应工程范文7
1教学内容的改革
1.1学生自主选择实验内容
为了进一步深入对无机化学实验教学内容的探究，我们定时组织学生进入当地相关企业见习，及时了解企业现状，同时加大实验室开放程度，让学生结合地方企业特色和自己的兴趣利用课余时间对相关问题进行探索实验。这样，有利于学生的发展，也充分体现了学生的主体地位，提高了学生学习的主动性和趣味性，调动了学生实验的积极性，培养了学生的独立思维和创新能力，有利于挖掘学生的潜能，完全符合当前素质教育的要求。
1.2树立绿色化学的思想
绿色化学是20世纪90年代诞生的化学科学前沿，其含义是指在制造和应用化学产品时须有效利用原料，消除废物和避免使用有毒和危害的试剂和溶液。我们在基础无机化学实验教学过程中，不断探索和实践，开展绿色化学实验研究。比如：采用微型实验，在保证实验能成功的前提下，尽量减少试剂的用量，特别是定性实验；开展连贯性实验，充分利用相关反应，让前一个实验产物作为下一个实验的反应物；强化“三废”的处理，做到回收再利用；引入现代信息技术，以多媒体形式完成一些有毒、危害性大、污染严重的实验。这样不仅减少了对环境的污染，更是树立了学生绿色化学的思想和环保意识。
2教学模式的改革
2.1以教为主导，学为主体，培养学生的自主学习能力
在传统实验教学中，教师一般采用“注入”式教学方法，严重束缚了学生的创新思维和意识。我们选择部分实验内容，在学生通过自主学习熟练掌握实验目的、原理、步骤与预做实验后，由学生走上讲台，老师只是跟踪指导，引导学生观察现象与问题分析。在实施过程中发现有很多学生会根据实验任务，查阅相关文献资料，寻找其他的实验方案与教材的实验方案进行对比讨论。这样，不仅培养了学生查阅资料的能力，推动了学生学习的自主性，而且真正达到了讨论式教学的目的，让学生成为学习的真正主人。
2.2引入现代信息技术
现代信息技术已被广泛应用于各科教学领域。我们在基础无机化学实验教学中利用网络交流工具，如班级QQ群、世界大学城等平台，采用在线或留言方式集体讨论在实验中遇到的问题。同时，充分利用网络资源丰富教学内容，打破实验教学的地域性和时间性的约束，丰富学生的学习内容，拓展学生的视野。不仅使学生及时地了解到无机化学实验领域的前沿知识，还有利于学生查阅资料、收集资料和自主学习能力的培养。
3结语
总之，这几年，我校无机化学实验进行的教学改革取得了明显的教学效果。使基础无机化学实验课程内容体系得到充分优化，教学资源得到整合。同时，激发了学生浓厚的学习兴趣，提高了学生自主学习的能力，锻炼和培养了学生的实践和创新能力。但是，教学改革是一项长期而艰巨的系统工程，需要我们不断的探索与改进。这样，地方本科院校才能真正立足于服务地方经济，培养出可真正服务地方经济的化工应用型人才。
作者：蒋建宏 易阳 刘莉 肖碧源 周菊峰 吴永兰 单位：湘南稀贵金属化合物及其应用湖南省重点实验室 湘南学院化学与生命科学系
第二篇
1介绍无机化学研究的最新进展
教员给出一张该类物质的激发和跃迁谱项图，说明所谓的上转换发光就是连续吸收两个光子的光，从而发射一个光子的光，因此发射光的能量比吸收光的能量明显要高，也就是该物质可吸收近红外区域的不可见光，而可以发射波长较短能量较高的可见光。正是因为上转换材料有着高的光学稳定性、低的光学毒性、较深的穿透深度、没有自身的背景荧光干扰、极少的光漂白作用以及大的反斯托克兹位移，因此被广泛应用于细胞成像和生物成像方面。然后结合本人开展的工作和文献报道，说明将具有磁共振作用的Gd掺入到上转换材料中，材料将兼具上转换材料的示踪作用和Gd的磁共振效果，起到多模式成像的作用。即将该材料注入待检测器官中，通过活体成像仪并结合核磁共振设备，就可看到该器官明显的上转换荧光和在清晰的核磁共振图像。此外，我们还介绍了将上转换纳米材料和有放射作用的核素掺杂时，研究它进入小动物体内后在各器官的储存与分布情况。借助于单光子扫描断层成像仪（SPECT），该类上转换纳米探针在生物体内的实时分布和储存情况就能被清楚地观察到，相应的图片栩栩如生，对研究该类探针在生物体内的实时状态具有重要的科学意义。当我们向大家介绍了上转换纳米材料作为生物成像的部分最新进展时，同学们的学习兴趣大增，全堂课中没有睡觉和注意力不集中的现象。可以说，通过介绍无机化学学科中的一些最新进展，不但激发了学生们的学习积极性，还改变了“满堂灌”教学方式，学生对这种授课方式普遍反映很好。
2引入案例式教学
无机化学是一门理论和实践结合的课程，如果我们在课堂上只强调理论，就有可能落入枯燥的理论灌输，学生对这门课的学习兴趣就不能很好地得到调动。而在一些授课过程中适当地引入案例式教学，就可以改变学生被动听课的情况，明显地提高授课质量。例如在讲授化学反应速率部分内容时，除了讲授碰撞理论和过渡态理论等重要的理论外，我们还适当地引入了化学动力学研究过程中一个重要的教学案例“飞秒化学”：化学动力学作为一门独立的学科已有一百多年的历史，其发展经历了从宏观动力学到微观动力学的两个主要阶段。
从宏观上去解释化学反应，无法完整描述化学反应中分子的真实变化过程，因为化学反应中分子真实变化过程的时间往往是在皮秒（10-12s）和飞秒（10-15s）的数量级。为了进一步了解化学反应的微观状态，从二十世纪中期开始，化学反应的动力学研究进入了微观动力学时代。1949年和1953年，诺里什（G.W.Norish）、波特（G.Porter）和艾根（M.Eigen）分别发展了闪光光解和驰豫技术，并研究了寿命为微秒的反应中间体。后来，李远哲和美国化学家赫休巴赫（D.R.Herschbach）用交叉分子束和激光技术研究分子反应动力学，从而能够确定从反应物到过渡态的能量变化。20世纪80年代，埃及物理化学家泽维尔（A.H.Zewail）教授利用飞秒激光脉冲技术研究化学反应的机理，首次直接从实验中观察到化学反应的过程，真正实现对基元反应的“实时”检测，实现了人们在分子层次上观察化学反应的梦想，并创立了飞秒化学的研究分支，荣获1999年诺贝尔化学奖。
当介绍完了这些内容之后，我们还将飞秒激光脉冲仪器及其主要工作原理的照片附在幻灯片上，并将泽维尔本人的研究工作历程简要地介绍给大家。并进一步补充，飞秒化学的发展极大地推动了化学动力学的研究，使我们可以更深入地了解发生在气相、液相、固相、团簇和界面中分子的动力学行为，也可能从量子态-态相互作用的层次上对化学反应的过程实现控制，甚至可以帮助我们了解发生在生物体系中的种种变化。当在讲授化学反应速率的过程中穿插飞秒化学介绍的教学案例后，同学们会觉得原来抽象枯燥的内容变得生动有趣了，化学反应速率的研究不光是空洞的理论，而且在实际的科研和工农业生产中有着重要的应用。化学动力学是一门常新的学科，它随着科学技术和检测方法的进步在不断发展创新。通过引入“飞秒化学”这个崭新的教学案例，大大地激发了学生们的学习热情，收到事半功倍的教学效果。
3积极上好讨论课
无机化学是学生在大学中的一门重要基础课。为了培养学生自我获取知识、更新知识的能力，就需要教员改革传统的教学方法，开展启发式教学，其中一个重要途径就是上好讨论课。比如在讲食物的酸碱性内容时，教员就给大家布置一个讨论题：是不是吃起来酸的食物就是酸性的？大家了解常见的酸碱食品有哪些？其后的一段时间里，学生广泛地查阅了资料，进行了充分的准备并在讨论课上积极发言，通过热烈的讨论，他们对食品的酸碱性和日常生活中一些常见的酸碱食品有了更深入的认识：大部分人认为吃起来酸的食品就是酸性的，其实，食品的酸碱性不能用简单的味觉来判定。营养学上的食物酸碱性是指进入的食物经过消化、吸收，进入体液的最终形成物是酸性还是碱性而言。虽然有些水果口感呈酸性，这是由于它们含有机酸，因而入口时给人一种酸性感觉，但这样的酸性物质进入人体后，会彻底地被氧化成二氧化碳和水而排出体外，在体内剩下的最终生成物是钠、钾、钙、镁等金属阳离子形成的碱性化合物居多，因此大多数水果是碱性食品。而所谓的酸性食品是指食物在体内经消化、吸收后，进入人体体液的最终产物是磷、硫、氯等非金属元素构成的酸根阴离子。比如，常见的肉类和蛋类食物在体内代谢都能形成上述酸根离子，因此属于酸性食品。
在讨论课中，他们结合查找到的资料，知道可将食品分为强、中、弱酸性或碱性食品。其中，一部分同学主要关注酸性食品，通过获得的文献资料，他们得出比较常见的强酸性食品有蛋黄、乳酪、甜点、白糖、金枪鱼和比目鱼，中酸性食品有火腿、培根、鸡肉、猪肉、鳗鱼、牛肉、面包，而弱酸性食品有白米、花生、啤酒、海苔、章鱼、巧克力、空心粉和葱等。另一部分同学则将主要精力放在寻找碱性食品的材料上，他们发现比较常见的强碱性食品有葡萄、茶叶、海带、柑橘、柿子、黄瓜、胡萝卜，中碱性食品有大豆、番茄、香蕉、草莓、梅干、柠檬、菠菜，弱碱性食品有红豆、苹果、甘蓝菜、豆腐、卷心菜、油菜、梨和马铃薯等。在这次讨论课中，通过更深入地讨论，他们了解到，长期食用碱性食品是有助于健康的，而过量食用酸性食品则容易使人处于酸性体质，酸性体质很容易使人患病，很多癌症都是由于长期吃大鱼大肉并过量饮酒造成的。通过这样两个学时的一次讨论课，可以变上课为被动学习转化为学生主动去查资料、主动去了解与课本知识相关的最新进展，并进一步调动学生们学习的积极性，收到了良好的教学效果。教学讨论课是无机化学教学改革的有益尝试。
4总结
化学反应工程范文8
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
3.1分子轨道教学中Gaussian软件的应用
在分子轨道教学中，以氮气和氧气为例，无机化学教师可以通过对学生演示两种气体分子运行轨道的计算方法，并用软件动画图演示轨道内电子的运动状态，以便学生更容易掌握分子轨道理论。与此同时，教师也可以利用Gaus-sian软件来解释氧气和氮气都具有顺磁性。和氧气分子一样的是，氮气分子中2s原子轨道与2p轨道非常接近，两个轨道之间可以随意组合进而改变整个分子的运动轨道，经Gaussian软件计算结果来看氮气和氧气分子可以发生能量反转，两个电子均处于2π成键轨道上，而不是处于σ键上，故氮气分子中存在一对孤对电子，显顺磁性。
3.2分析物质分子的振动模式和红外光谱
红外光谱的形成机理是将不同波长的红外光束照射到分子上时，物质会自动吸收某些波长的红外线，进而形成该分子的红外光谱。由于不同物质具有不同的分子结构，每一个分子结构对红外光的吸收能力也不尽相同，所以各个物质之间的红外吸收光谱也有所差异，利用红外光谱可以检定物质的化学结构。红外光谱技术的原理是化学键振动能级和振动频率之间的差异，因此可以通过计算物质的振动能级和频率来推测某一物质的红外吸收光谱，与实验结果进行比较。就拿水分子来说，利用Gaussian软件，结合DFT理论可以计算出水分子的振动频率，进而得到水分子的红外光谱吸收图谱。用PE红外光谱仪测定水分子的红外吸收光谱图，分析谱图中显示的吸收峰，与软件计算结果进行比较。软件计算结果显示，水分子红外谱图中有3个吸收峰，与实验结果一致，且吸收峰所处的位置由小波数到大波数分别为水分子中的氢氧键的非对称的伸缩振动、对称性伸缩振动以及剪式振动三种模式。在Gaussian软件计算过程中，教师可以对计算过程进行演示，演示画面中会出现图形界面动画，帮助学生理解水分子的物质结构。
3.3推测反应机理，掌握反应产物的分布情况
在无机化学反应热力学和动力学领域，教师可以利用Gaussian软件计算无机化合物化学反应的途径和反应过程中能量的变化，Gaussian软件可以对化学反应的定量关系和反应机制进行定性分布，帮助学生更为直观地了解无机化学反应的途径，计算反应过程中的能量变化。这一计算过程通常是基于无机物的势能面来寻找鞍点，进而得出无机化学反应过渡态的能量，通过比较反应物最初状态和产物最终状态来计算化学反应的反应热量和活化能。同时，结合反应能垒和过渡态的振动频率、构型等参数可以计算化学反应的速率。
3.4其它应用
Gaussian软件可以实现无机物离子势和电子亲和能量的计算，对同一个周期或同一个主族的化学元素变化趋势进行分析比较，帮助学生掌握元素周期律。Gaussian软件自带的自然键轨道分析程序，又被称之为NaturalBondOr-bital、NBO，其计算和分析结果能准确估计无机物分子结构中各个原子的电荷数量以及各个原子电子分布轨道中的电荷总数量，模拟不同轨道电子的分布情况。自然键轨道分析程序最常用的领域是无机化学教学中配合物的教学，应用最多的是不同无机物质原子之间电子的转移情况、二阶微扰理论下的“2e稳定化能”，这一部分可以得出如何降低整个反应体系的能量以及部分电子从占据轨道跃迁到空轨道的运动痕迹。Gaussian软件可以完美地解析无机物的中间配体和中心原子相结合后生成稳定化学结构的过程、原子轨道至分子轨道的组成过程以及过渡金属元素和中间配体化学键的形成机制等。此外，在对无机物变形性和极化作用进行教学过程中，Gaussian软件可以对静态极化率、超极化率以及含频的极化率、超极化率进行准确的计算，更直观地讲述化合物性质在离子极化作用下的变化趋势，加深学生对离子极化概念的理解。因此，Gaussian软件对提升无机化学教学质量至关重要。
4结语
综合以上观点来看，量子化学软件Gaussian可以将大学无机化学教学工作中抽象、难以理解、枯燥的知识转变成更容易被学生所接受的、形象的知识，不仅可以有效提升学生在大学无机化学上的学习效率，还有助于激发学生对于化学学科的学习兴趣，提升教学质量，丰富教学工作内容。
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