化学反应的过程精选(十四篇)

篇1

关键词：合成 化学反应 氧化还原 催化 化工

一、合成过程介绍

合成过程是指两种或两种以上比较简单的物质，以化学反应原理为基础，通过发生质的变化而产生所需新物质的过程。合成过程必须注意原材料发生反应的比例关系及发生化学反应所需的条件，从而减少资源浪费、节约成本。

合成过程所发生的化学反应主要包括氧化、还原、催化、聚合、氯化、硝化、重氮化、酸化、碱化等，在一些石油化工生产过程中，会产生一些热气、危害气体、易燃易爆等危险物质，因此在不同的合成生产过程应该采取不同的防护措施，以确保合成过程顺利、安全的进行，提高化学试验、生产的高效性和安全性。

二、合成过程中常见的化学反应及要求

不同的合成过程，其生产工艺也不一样，因此在进行合成反应中，还要注意成本的节约和过程的安全、合理。

1.氧化还原

氧化还原反应是物质间电子数目的等量传递，氧化与还原是两种同时发生且不可分开的化学反应，氧化的同时进行着还原反应，而还原的同时也伴随着氧化的发生。氧化过程需要加热，而还原过程需要放热，因此在氧化还原过程，需要注意环境的温度补给与降温。

工厂生产常见的问题，对于危害气体SO2的回收利用，通常采用石灰浆Ca（OH）2进行吸收，反应方程式：SO2+Ca（OH）2=CaSO3+H2O。在反应设备中，SO22氧化反应过程释放出大量的热量，为未发生反应的SO2提供所需的温度，减少外界供给，降低生产成本，同时又可以平衡设备中的温度，减少因还原反应释放温度而损坏反应设备。

2.催化反应

催化反应是指在催化剂的作用下发生的化学反应，例如氮气和氢气合成氨、二氧化硫和氧气合成三氧化硫、乙烯和氧气合成环氧乙烷等都属于催化反应。石油化工产常见的化学合成过程――汽油馏分的催化重整，是在催化剂及一定的温度、压力条件下使汽油中烃分子重新排列重组的过程，不仅可以产生优质的汽油，还可以生产出具有芳香性的碳氢化合物芳烃。

催化剂是催化反应过程不可或缺的一种物质，其在化学反应前后不变，且具有选择性。有的催化剂本身无害、无危险性，但在反应过程可能因温度的变化产生危险，例如因二氧化锰加快催化反应过程而引起的温度迅速上升、冲料等危险情况，甚至产生火灾等危险，因此在使用催化剂的化学生产、试验中要全面考虑反应过程中出现的问题，确保用量适中，反应设备散热良好，以降低危险和损害。

从安全角度考虑，催化反应过程还要注意生成物的属性，如产生氯化氢、硫化氢等危险物质时，生产人员应注意戴好防护措施、禁止明火，防止中毒或由高温高压引起爆炸等危险造成的人员安全事故；同时注意反应容器的选择，以防止因容器腐蚀、损坏造成的事故。

3.聚合反应

聚合反应是指低分子单体合成聚合物的反应，按聚合物和单体元素组成结构不同可将聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。加聚反应是指单体加成而聚合的反应，元素组成不变，与加聚反应不同的是，缩聚反应同时还产生水、醇、氨等低分子副产物，例如氯乙烯聚合成聚氯乙烯属于加聚反应，已二胺和已二酸反应生成尼隆―66属于缩聚反应。

聚合反应中的单体大多数属于易燃易爆的物质，而聚合反应发生的条件则是高压，反应过程易发生燃烧、爆炸等危险，由于反映本身会释放热量，所以对于反应条件的控制要求相当严格，引发剂的配比要求科学合理、反应容器设备要求优材优质、反应过程必须保证温度低于危险系数等。

4.氯化反应

氯化反应是指以氯原子取代有机化合物中氢原子的过程，其主要原料是含有氯原子的氯化剂。在石油化工提取及生产中，氯化反应尤为重要，其产物主要有甲烷、乙烷、戊烷、天然气、苯、甲苯及荼等。

在氯化反应过程中，氯化剂除了与原料进行反应外，与生成的衍生物也发生作用，例如CeO2+2NH4Cl=CeOCl+1/2Cl2+2NH3+H2O，反应生成的CeOCl与NH4Cl继续发生化学反应CeOCl+2NH4Cl= CeCl+2NH3+H2O。由此可见，在氯化反应过程中不仅会产生一氯取代物，甚至可能产生二氯取代物甚至三氯取代物，所以氯化反应产物也是各种不同浓度的氯化物的混合物。

氯化过程往往会伴有氯气的产生，如工业生产常见反应2NaCl+2H2O == 2NaOH+H2+Cl2。氯气是一种易燃易爆的有毒气体，因此对于产生氯气的氯化反应过程要做好尾气收集或尾气处理，以防化学反应造成的爆炸或中毒。另外一个注意事项是，对于氯化反应有氯化氢气产生的反应设备，要求严密不漏气且要具有防腐蚀性；氯化氢气体产生后可采用冷却法、水洗涤吸收法、蒸馏分离法等将气体回收，同时在排气管上安装自动信号分析仪，借以检测是否有残留危害气体被排除，减少环境污染，降低化学反应产生的危害。

5.烷基化反应

烷基化反应是指有机化合物中的碳、氧和氮等原子被烷基（R-）所取代的化学反应，主要的烷基团有甲基（-CH3）、乙基（-C2H5）、丙基（-C3H7）、丁基（-C4H9）等。C-烷基化反应是在催化剂的作用下向芳环碳上引入烷基生成烷基苯的过程，N-烷基化是向氨或铵中得氮原子上引入烷基生成各种类型的铵盐的过程，O-烷基化反应是向醇、酚中得氧原子上引入烷基生成醚类化合物。

烷基化反应过程存在的主要危险有：首先，烷基化的原料、烷基化剂及烷基化反应产物均属于易燃易爆的物质，例如苯的闪点为-11℃，爆炸极限为1.5%～9.5%；丙烯的爆炸极限是1.3%～4.2%；其次，烷基化过程所使用的催化剂活性较强，遇水易放出危险有害气体，极易发生爆炸；然后，烷基化反应条件要求严格控制，对于原料、催化剂、烷基化剂的添加顺序要科学掌控，不允许颠倒顺序、加快添加速度或者是搅拌，否则会引起反应加速，从而导致的冲料、着火，甚至爆炸。

参考文献

[1]（美）卡雷、（美）松德贝里 高等有机化学：反应与合成（第五版） 科学出版社 2009-01.

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[3]张子峰、张凡军 甲醇合成反应的化学平衡 化学工业出版社 2008.

篇2

如氨氧化制硝酸、甲苯氧化制苯甲酸、乙烯氧化制环氧乙烷等。

(1)氧化的火灾危险性

①氧化反应需要加热，但反应过程又是放热反应，特别是催化气相反应，一般都是在250～600℃的高温下进行，这些反应热如不及时移去，将会使温度迅速升高甚至发生爆炸。

②有的氧化，如氨、乙烯和甲醇蒸气在空中的氧化，其物料配比接近于爆炸下限，倘若配比失调，温度控制不当，极易爆炸起火。

③被氧化的物质大部分是易燃易爆物质。如乙烯氧化制取环氧乙烷中，乙烯是易燃气体，爆炸极限为2．7％～34％，自燃点为450℃；甲苯氧化制取苯甲酸中，甲苯是易燃液体，其蒸气易与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限为1．2％～7％；甲醇氧化制取甲醛中，甲醇是易燃液体，其蒸气与空气的爆炸极限是6％～36．5％。

④氧化剂具有很大的火灾危险性。如氯酸钾，高锰酸钾、铬酸酐等都属于氧化剂，如遇高温或受撞击、摩擦以及与有机物、酸类接触，皆能引起着火爆炸；有机过氧化物不仅具有很强的氧化性，而且大部分是易燃物质，有的对温度特别敏感，遇高温则爆炸。

⑤氧化产品有些也具有火灾危险性。如环氧乙烷是可燃气体；硝酸虽是腐蚀性物品，但也是强氧化剂；含36．7％的甲醛水溶液是易燃液体，其蒸气的爆炸极限为7．7％～73％。另外，某些氧化过程中还可能生成危险性较大的过氧化物，如乙醛氧化生产醋酸的过程中有过醋酸生成，过醋酸是有机过氧化物，性质极度不稳定，受高温、摩擦或撞击便会分解或燃烧。

(2)氧化过程的防火措施

①氧化过程中如以空气或氧气作氧化剂时，反应物料的配比(可燃气体和空气的混合比例)应严格控制在爆炸范围之外。空气进入反应器之前，应经过气体净化装置，消除空气中的灰尘、水汽、油污以及可使催化剂活性降低或中毒的杂质，以保持催化剂的活性，减少着火和爆炸的危险。

②氧化反应接触器有卧式和立式两种，内部填装有催化剂。一般多采用立式，因为这种形式催化剂装卸方便，而且安全。在催化氧化过程中，对于放热反应，应控制适宜的温度、流量，防止超温、超压和混合气处于爆炸范围之内。

③为了防止接触器在万一发生爆炸或着火时危及人身和设备安全，在反应器前和管道上应安装阻火器，以阻止火焰蔓延，防止回火，使着火不致影响其他系统。为了防止接触器发生爆炸，接触器应有泄压装置，并尽可能采用自动控制或调节以及报警联锁装置。

④使用硝酸、高锰酸钾等氧化剂时，要严格控制加料速度，防止多加、错加，固体氧化剂应粉碎后使用，最好呈溶液状态使用，反应中要不间断搅拌，严格控制反应温度，决不许超过被氧化物质的自燃点。

⑤使用氧化剂氧化无机物时，如使用氯酸钾氧化生成铁蓝颜料，应控制产品烘干温度不超过其着火点，在烘干之前应用清水洗涤产品，将氧化剂彻底除净，以防止未完全反应的氯酸钾引起已烘干的物料起火。有些有机化合物的氧化，特别是在高温下的氧化，在设备及管道内可能产生焦状物，应及时清除，以防自燃。

⑥氧化反应使用的原料及产品，应按有关危险品的管理规定，采取相应的防火措施，如隔离存放、远离火源、避免高温和日晒、防止摩擦和撞击等。如是电介质的易燃液体或气体，应安装导除静电的接地装置。

⑦在设备系统中宜设置氮气、水蒸气灭火装置，以便能及时扑灭火灾。

2 还原

如硝基苯在盐酸溶液中被铁粉还原成苯胺、邻硝基苯甲醚在碱性溶液中被锌粉还原成邻氨基苯甲醚、使用保险粉、硼氢化钾、氢化锂铝等还原剂进行还原等。

还原过程的危险性分析及防火要求：

(1)无论是利用初生态还原，还是用催化剂把氢气活化后还原，都有氢气存在(氢气的爆炸极限为4％—75％)，特别是催化加氢还原，大都在加热、加压条件下进行，如果操作失误或因设备缺陷有氢气泄漏，极易与空气形成爆炸性混合物，如遇着火源即会爆炸。所以，在操作过程中要严格控制温度、压力和流量；车间内的电气设备必须符合防爆要求。电线及电线接线盒不宜在车间顶部敷设安装；厂房通风要好，应采用轻质屋顶、设置天窗或风帽，以使氢气及时逸出；反应中产生的氢气可用排气管导出车间屋项，并高于屋脊2m以上，经过阻火器向外排放；加压反应的设备应配备安全阀，反应中产生压力的设备要装设爆破片；安装氢气检测和报警装置。

(2)还原反应中所使用的催化剂雷氏镍吸潮后在空气中有自燃危险，即使没有着火源存在，也能使氢气和空气的混合物引燃形成着火爆炸。因此，当用它们来活化氢气进行还原反应时，必须先用氮气置换反应器内的全部空气，并经过测定证实含氧量降到标准后，才可通人氢气；反应结束后应先用氮气把反应器内的氢气置换干净，才可打开孔盖出料，以免外界空气与反应器内的氢气相遇，在雷氏镍自燃的情况下发生着火爆炸，雷氏镍应当储存于酒精中，钯碳回收时应用酒精及清水充分洗涤，过滤抽真空时不得抽得太干，以免氧化着火。

(3)固体还原剂保险粉、硼氢化钾、氢化铝锂等都是遇湿易燃危险品，其中保险粉遇水发热，在潮湿空气中能分解析出硫，硫蒸气受热具有自燃的危险，且保险粉本身受热到190℃也有分解爆炸的危险；硼氢化钾(钠)在潮湿空气中能自燃，遇水或酸即分解放出大量氢气，同时产生高热，可使氢气着火而引起爆炸事故；氢化锂铝是遇湿危险的还原剂，务必要妥善保管，防止受潮。保险粉用于溶解使用时，要严格控制温度，可以在开动搅拌的情况下，将保险粉分批加入水中，待溶解后再与有机物接触反应；当使用硼氢化钠(钾)作还原剂时，在工艺过程中调解酸、碱度时要特别注意，防止加酸过快、过多；当使用氢化铝锂作还原剂时，要特别注意，必须在氮气保护下使用，平时浸没于煤油中储存。前面所述的还原剂，遇氧化剂会猛烈发生反应，产生大量热量，具有着火爆炸的危险，故不得与氧化剂混存。

(4)还原反应的中间体，特别是硝基化合物还原反应的中间体，亦有一定的火灾危险，例如，在邻硝基苯甲醚还原为邻氨基苯甲醚的过程中，产生氧化偶氮苯甲醚，该中间体受热到150℃能自燃。苯胺在生产中如果反应条件控制不好，可生成爆炸危险性很大的环己胺。所以在反应操作中一定要严格控制各种反应参数和反应条件。

(5)开展技术革新，研究采用危险性小、还原效率高的新型还原剂代替火灾危险性大的还原剂。例如采用硫化钠代替铁粉还原，可以避免氢气产生，同时还可消除铁泥堆积的问题。

3 硝化

硝化通常是指在有机化合物分子中引入硝基(—no2)，取代氢原子而生成硝基化合物的反应。如甲苯硝化生产梯恩梯(tnt)、苯硝化制取硝基苯、甘油硝化制取硝化甘油等。

硝化过程的火灾危险性主要是：

(1)硝化是一个放热反应，引入一个硝基要放热152．2～153 kj／mol，所以硝化需要降温条件下进行。在硝化反应中，倘若稍有疏忽，如中途搅拌停止、冷却水供应不良、加料速度过快等，都会使温度猛增、混酸氧化能力加强，并有多硝基物生成，容易引起着火和爆炸事故。

(2)硝化剂具有氧化性，常用硝化剂浓硝酸、硝酸、浓硫酸、发烟硫酸、混合酸等都具有较强的氧化性、吸水性和腐蚀性。它们与油脂、有机物，特别是不饱和的有机化合物接触即能引起燃烧；在制备硝化剂时，若温度过高或落入少量水，会促使硝酸的大量分解和蒸发，不仅会导致设备的强烈腐蚀，还可造成爆炸事故。

(3)被硝化的物质大多易燃，如苯、甲苯、甘油(丙三醇)、脱酯棉等，不仅易燃，有的还兼有毒性，如使用或储存管理不当，很易造成火灾。

(4)硝化产品大都有着火爆炸的危险性，特别是多硝基化合物和硝酸酯，受热、摩擦、撞击或接触着火源，极易发生爆炸或着火。

4 电解

电流通过电解质溶液或熔融电解质时，在两个极上所引起的化学变化称为电解。电解在工业上有着广泛的作用。许多有色金属(钠、钾、镁、铅等)和稀有金属(锆、铪等)冶炼，金属铜、锌、铝等的精炼；许多基本化学工业产品(氢、氧、氯、烧碱、氯酸钾、过氧化氢等)的制备，以及电镀、电抛光、阳极氧化等，都是通过电解来实现的。

如食盐水电解生产氢氧化钠、氢气、氯气，电解水制氢等。食盐水电解过程中的危险性分析与防火要点：

(1)盐水应保证质量 盐水中如含有铁杂质，能够产生第二阴极而放出氢气；盐水中带入铵盐，在适宜的条件下(ph<4．5时)，铵盐和氯作用可生成氯化铵，氯作用于浓氯化铵溶液还可生成黄色油状的三氯化氮。

3c12+nh4cl——4hcl+ncl3

三氯化氮是一种爆炸性物质，与许多有机物接触或加热至90℃以上以及被撞击，即发生剧烈地分解爆炸。爆炸分解式如下：

2ncl3——n2+3c12

因此盐水配制必须严格控制质量，尤其是铁、钙、镁和无机铵盐的含量。一般要求mg2+<2mg／l，ca2+<6mg／l，so42-<5mg／l。应尽可能采取盐水纯度自动分析装置，这样可以观察盐水成分的变化，随时调节碳酸钠、苛性钠、氯化钡或丙烯酸胺的用量。

(2)盐水添加高度应适当 在操作中向电解糟的阳极室内添加盐水，如盐水液面过低，氢气有可能通过阴极网渗入到阳极室内与氯气混合；若电解槽盐水装得过满，在压力下盐水会上涨，因此，盐水添加不可过少或过多，应保持一定的安全高度。采用盐水供料器应间断供给盐水，以避免电流的损失，防止盐水导管被电流腐蚀(目前多采用胶管)。

(3)防止氢气与氯气混合 氢气是极易燃烧的气体，氯气是氧化性很强的有毒气体，一旦两种气体混合极易发生爆炸，当氯气中含氢量达到5％以上，则随时可能在光照或受热情况下发生爆炸。造成氢气和氯气混合的原因主要是：阳极室内盐水液面过低；电解槽氢气出口堵塞，引起阴极室压力升高；电解槽的隔膜吸附质量差；石棉绒质量不好，在安装电解槽时碰坏隔膜，造成隔膜局部脱落或者送电前注入的盐水量过大将隔膜冲坏，以及阴极室中的压力等于或超过阳极室的压力时，就可能使氢气进入阳极室等，这些都可能引起氯气中含氢量增高。此时应对电解槽进行全面检查，将单槽氯含氢浓度控制在2％以下，总管氯含氢浓度控制在0．4％以下。

(4)严格电解设备的安装要求 由于在电解过程中氢气存在，故有着火爆炸的危险，所以电解槽应安装在自然通风良好的单层建筑物内，厂房应有足够的防爆泄压面积。

(5)掌握正确的应急处理方法 在生产中当遇突然停电或其他原因突然停车时，高压阀不能立即关闭，以免电解槽中氯气倒流而发生爆炸。应在电解槽后安装放空管，以及时减压，并在高压阀门上安装单向阀，以有效地防止跑氯，避免污染环境和带来火灾危险。

5 聚合

将若干个分子结合为一个较大的组成相同而分子量较高的化合物的反应过程为聚合。

如氯乙烯聚合生产聚氯乙烯塑料、丁二烯聚合生产顺丁橡胶和丁苯橡胶等。

聚合按照反应类型可分为加成聚合和缩合聚合两大类；按照聚合方式又可分为本体聚合、悬浮聚合、溶液聚合和乳液聚合、缩合聚合五种。

(1)本体聚合

本体聚合是在没有其他介质的情况下(如乙烯的高压聚合、甲醛的聚合等)，用浸在冷却剂中的管式聚合釜(或在聚合釜中设盘管、列管冷却)进行的一种聚合方法。这种聚合方法往往由于聚合热不易传导散出而导致危险。例如在高压聚乙烯生产中，每聚合1公斤乙烯会放出3．8mj的热量，倘若这些热量未能及时移去，则每聚合1％的乙烯，即可使釜内温度升高12～13℃，待升高到一定温度时，就会使乙烯分解，强烈放热，有发生暴聚的危险。一旦发生暴聚，则设备堵塞，压力骤增，极易发生爆炸。

(2)溶液聚合

溶液聚合是选择一种溶剂，使单体溶成均相体系，加入催化剂或引发剂后，生成聚合物的一种聚合方法。这种聚合方法在聚合和分离过程中，易燃溶剂容易挥发和产生静电火花。

(3)悬浮聚合

悬浮聚合是用水作分散介质的聚合方法。它是利用有机分散剂或无机分散剂，把不溶于水的液态单体，连同溶在单体中的引发剂经过强烈搅拌，打碎成小珠状，分散在水中成为悬浮液，在极细的单位小珠液滴(直径为0．1um)中进行聚合，因此又叫珠状聚合。这种聚合方法在整个聚合过程中，如果没有严格控制工艺条件，致使设备运转不正常，则易出现溢料，如若溢料，则水分蒸发后未聚合的单体和引发剂遇火源极易引发着火或爆炸事故。

(4)乳液聚合

乳液聚合是在机械强烈搅拌或超声波振动下，利用乳化剂使液态单体分散在水中(珠滴直径0．001～0．01um)，引发剂则溶在水里而进行聚合的一种方法。这种聚合方法常用无机过氧化物(如过氧化氢)作引发剂，如若过氧化物在介质(水)中配比不当，温度太高，反应速度过快，会发生冲料，同时在聚合过程中还会产生可燃气体。

(5)缩合聚合

缩合聚合也称缩聚反应，是具有两个或两个以上功能团的单体相互缩合，并析出小分子副产物而形成聚合物的聚合反应。缩合聚合是吸热反应，但由于温度过高，也会导致系统的压力增加，甚至引起爆裂，泄漏出易燃易爆的单体。

6 催化

催化反应是在催化剂的作用下所进行的化学反应。例如氮和氢合成氨，由二氧化硫和氧合成三氧化硫，由乙烷和氧合成环氧乙烷等都是属于催化反应。

催化的火灾危险性：

(1)反应操作 在催化过程中若催化剂选择的不正确或加入不适量，易形成局部反应激烈；另外，由于催化大多需在一定温度下进行，若散热不良、温度控制不好等，很容易发生超温爆炸或着火事故。

(2)催化产物 在催化过程中有的产生氯化氢，氯化氢有腐蚀和中毒危险；有的产生硫化氢，则中毒危险更大，且硫化氢在空气中的爆炸极限较宽(4．3％～45．5％)，生产过程中还有爆炸危险；有的催化过程产生氢气，着火爆炸的危险更大，尤其在高压下，氢的腐蚀作用可使金属高压容器脆化，从而造成破坏性事故。

(3)原料气 原料气中某种能与催化剂发生反应的杂质含量增加，可能成为爆炸危险物，这是非常危险的。例如，在乙烯催化氧化合成乙醛的反应中，由于催化剂体系中常含有大量的亚铜盐，若原料气中含乙炔过高，则乙炔就会与亚铜盐反应生成乙炔铜。乙炔铜为红色沉淀，是一种极敏感的爆炸物，自燃点在260～270℃之间，干燥状态下极易爆炸，在空气作用下易氧化成暗黑色，并易于起火。

7 裂化

裂化有时又称裂解，是指有机化合物在高温下分子发生分解的反应过程。裂化可分为热裂化、催化裂化、加氢裂化三种类型。

(1)热裂化

热裂化在高温高压下进行，装置内的油品温度一般超过其自燃点，若漏出油品会立即起火；热裂化过程中产生大量的裂化气，且有大量气体分馏设备，若漏出气体，会形成爆炸性气体混合物，遇加热炉等明火，有发生爆炸的危险。在炼油厂各装置中，热裂化装置发生的火灾次数是较多的。

(2)催化裂化

催化裂化一般在较高温度(460～520℃)和0．1～0．2mpa压力下进行，火灾危险性较大。若操作不当，再生器内的空气和火焰进入反应器中会引起恶性爆炸。u形管上的小设备和小阀门较多，易漏油着火。在催化裂化过程中还会产生易燃的裂化气，以及在烧焦活化催化剂不正常时，还可能出现可燃的一氧化碳气体。

(3)加氢裂化

由于加氢裂化使用大量氢气，而且反应温度和压力都较高，在高压下钢与氢气接触，钢材内的碳分子易被氢气所夺取，使碳钢硬度增大而降低强度，产生氢脆，如设备或管道检查或更换不及时，就会在高压(10～15mpa)下发生设备爆炸。另外，加氢是强烈的放热反应，反应器必须通冷氢以控制温度。因此，要加强对设备的检查，定期更换管道、设备，防止氢脆造成事故；加热炉要平稳操作，防止设备局部过热，防止加热炉的炉管烧穿或者高温管线、反应器漏气而引起着火。

8 氯化

以氯原子取代有机化合物中氢原子的过程称为氯化。如由甲烷制甲烷氯化物、苯氯化制氯苯等。常用的氯化剂有：液态或气态氯、气态氯化氢和各种浓度的盐酸、磷酸氯(三氯氧化磷)、三氯化磷(用来制造有机酸的酰氯)、硫酰氯(二氯硫酰)、次氯酸酯等。

氯化过程危险性分析与防火要点：

(1)氯化反应的火灾危险性主要决定于被氯化物质的性质及反应过程的条件。反应过程中所用的原料大多是有机易燃物和强氧化剂，如甲烷、乙烷、苯、酒精、天然气、甲苯、液氯等。如生产1t甲烷氯化物需要2006m3甲烷、6960kg液氯，生产过程中同样具有着火爆炸危险。所以，应严格控制各种着火源，电气设备应符合防火防爆要求。

(2)氯化反应中最常用的氯化剂是液态或气态的氯。氯气本身毒性较大，氧化性极强，储存压力较高，一旦泄漏是很危险的。所以贮罐中的液氯在进入氯化器使用之前，必须先进人蒸发器使其气化。在一般情况下不准把储存氯气的气瓶或槽车当贮罐使用，因为这样有可能使被氯化的有机物质倒流进气瓶或槽车引起爆炸。对于一般氯化器应装设氯气缓冲罐，防止氯气断流或压力减小时形成倒流。

(3)氯化反应是一个放热过程，尤其在较高温度下进行氯化，反应更为剧烈。例如在环氧氯丙烷生产中，丙烯需预热至3000℃左右进行氯化，反应温度可升至500℃，在这样高的温度下，如果物料泄漏就会造成着火或引起爆炸。因此，一般氯化反应设备必须有良好的冷却系统，并严格控制氯气的流量，以免因流量过快，温度剧升而引起事故。

(4)由于氯化反应几乎都有氯化氢气体生成，因此所用的设备必须防腐蚀，设备应保证严密不漏。因为氯化氢气体易溶于水中，通过增设吸收和冷却装置就可以除去尾气中绝大部分氯化氢。

9 重氮化

重氮化是使芳伯胺变为重氮盐的反应。通常是把含芳胺的有机化合物在酸性介质中与亚硝酸钠作用，使其中的胺基(－nh2)转变为重氮基(－n＝n－)的化学反应。如二硝基重氮酚的制取等。

重氮化的火灾危险性分析：

(1)重氮化反应的主要火灾危险性在于所产生的重氮盐，如重氮盐酸盐(c6h5n2cl)、重氮硫酸盐(c6h5n2h504)，特别是含有硝基的重氮盐，如重氮二硝基苯酚[(no2)2n2c6h2oh]等，它们在温度稍高或光的作用下，即易分解，有的甚至在室温时亦能分解。一般每升高10℃，分解速度加快两倍。在干燥状态下，有些重氮盐不稳定，活力大，受热或摩擦、撞击能分解爆炸。含重氮盐的溶液若洒落在地上、蒸汽管道上，干燥后亦能引起着火或爆炸。在酸性介质中，有些金属如铁、铜、锌等能促使重氮化合物激烈地分解，甚至引起爆炸。

(2)作为重氮剂的芳胺化合物都是可燃有机物质，在一定条件下也有着火和爆炸的危险。

(3)重氮化生产过程所使用的亚硝酸钠是无机氧化剂，于175℃时分解能与有机物反应发生着火或爆炸。亚硝酸钠并非氧化剂，所以当遇到比其氧化性强的氧化剂时，又具有还原性，故遇到氯酸钾、高锰酸钾、硝酸铵等强氧化剂时，有发生着火或爆炸的可能。

(4)在重氮化的生产过程中，若反应温度过高、亚硝酸钠的投料过快或过量，均会增加亚硝酸的浓度，加速物料的分解，产生大量的氧化氮气体，有引起着火爆炸的危险。

10 烷基化

烷基化(亦称烃化)，是在有机化合物中的氮、氧、碳等原子上引入烷基r—的化学反应。引入的烷基有甲基(－ch3)、乙基(－c2h5)、丙基(－c3h7)、丁基(－c4h9)等。

烷基化常用烯烃、卤化烃、醇等能在有机化合物分子中的碳、氧、氮等原子上引入烷基的物质作烷基化剂。如苯胺和甲醇作用制取二甲基苯胺。

烷基化的火灾危险性：

(1)被烷基化的物质大都具有着火爆炸危险。如苯是甲类液体，闪点－11℃，爆炸极限1．5％～9．5％；苯胺是丙类液体，闪点71℃，爆炸极限1．3％～4．2％。

(2)烷基化剂一般比被烷基化物质的火灾危险性要大。如丙烯是易燃气体，爆炸极限2％～11％；甲醇是甲类液体，闪点7℃，爆炸极限6％～36．5％；十二烯是乙类液体，闪点35℃，自燃点220℃。

(3)烷基化过程所用的催化剂反应活性强。如三氯化铝是忌湿物品，有强烈的腐蚀性，遇水或水蒸汽分解放热，放出氯化氢气体，有时能引起爆炸，若接触可燃物，则易着火；三氯化磷是腐蚀性忌湿液体，遇水或乙醇剧烈分解，放出大量的热和氯化氢气体，有极强的腐蚀性和刺激性，有毒，遇水及酸(主要是硝酸、醋酸)发热、冒烟，有发生起火爆炸的危险。

(4)烷基化反应都是在加热条件下进行，如果原料、催化剂、烷基化剂等加料次序颠倒、速度过快或者搅拌中断停止，就会发生剧烈反应，引起跑料，造成着火或爆炸事故。

(5)烷基化的产品亦有一定的火灾危险。如异丙苯是乙类液体，闪点35．5℃，自燃点434℃，爆炸极限0．68％～4．2％；二甲基苯胺是丙类液体，闪点61℃，自燃点371℃；烷基苯是丙类液体，闪点127℃。

11 磺化

磺化是在有机化合物分子中引入磺(酸)基(－so3h)的反应。常用的磺化剂有发烟硫酸、亚硫酸钠、亚硫酸钾、三氧化硫等。如用硝基苯与发烟硫酸生产间氨基苯磺酸钠，卤代烷与亚硫酸钠在高温加压条件下生成磺酸盐等均属磺化反应。

磺化过程危险性分析：

(1)三氧化硫是氧化剂，遇比硝基苯易燃的物质时会很快引起着火；另外，三氧化硫的腐蚀性很弱，但遇水则生成硫酸，同时会放出大量的热，使反应温度升高，不仅会造成沸溢或使磺化反应导致燃烧反应而起火或爆炸，还会因硫酸具有很强的腐蚀性，增加了对设备的腐蚀破坏。

篇3

1 氧化 如氨氧化制硝酸、甲苯氧化制苯甲酸、乙烯氧化制环氧乙烷等。 (1)氧化的火灾危险性 ①氧化反应需要加热，但反应过程又是放热反应，特别是催化气相反应，一般都是在250～600℃的高温下进行，这些反应热如不及时移去，将会使温度迅速升高甚至发生爆炸。 ②有的氧化，如氨、乙烯和甲醇蒸气在空中的氧化，其物料配比接近于爆炸下限，倘若配比失调，温度控制不当，极易爆炸起火。 ③被氧化的物质大部分是易燃易爆物质。如乙烯氧化制取环氧乙烷中，乙烯是易燃气体，爆炸极限为2．7％～34％，自燃点为450℃；甲苯氧化制取苯甲酸中，甲苯是易燃液体，其蒸气易与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限为1．2％～7％；甲醇氧化制取甲醛中，甲醇是易燃液体，其蒸气与空气的爆炸极限是6％～36．5％。 ④氧化剂具有很大的火灾危险性。如氯酸钾，高锰酸钾、铬酸酐等都属于氧化剂，如遇高温或受撞击、摩擦以及与有机物、酸类接触，皆能引起着火爆炸；有机过氧化物不仅具有很强的氧化性，而且大部分是易燃物质，有的对温度特别敏感，遇高温则爆炸。 ⑤氧化产品有些也具有火灾危险性。如环氧乙烷是可燃气体；硝酸虽是腐蚀性物品，但也是强氧化剂；含36．7％的甲醛水溶液是易燃液体，其蒸气的爆炸极限为7．7％～73％。另外，某些氧化过程中还可能生成危险性较大的过氧化物，如乙醛氧化生产醋酸的过程中有过醋酸生成，过醋酸是有机过氧化物，性质极度不稳定，受高温、摩擦或撞击便会分解或燃烧。 (2)氧化过程的防火措施 ①氧化过程中如以空气或氧气作氧化剂时，反应物料的配比(可燃气体和空气的混合比例)应严格控制在爆炸范围之外。空气进入反应器之前，应经过气体净化装置，消除空气中的灰尘、水汽、油污以及可使催化剂活性降低或中毒的杂质，以保持催化剂的活性，减少着火和爆炸的危险。 ②氧化反应接触器有卧式和立式两种，内部填装有催化剂。一般多采用立式，因为这种形式催化剂装卸方便，而且安全。在催化氧化过程中，对于放热反应，应控制适宜的温度、流量，防止超温、超压和混合气处于爆炸范围之内。 ③为了防止接触器在万一发生爆炸或着火时危及人身和设备安全，在反应器前和管道上应安装阻火器，以阻止火焰蔓延，防止回火，使着火不致影响其他系统。为了防止接触器发生爆炸，接触器应有泄压装置，并尽可能采用自动控制或调节以及报警联锁装置。 ④使用硝酸、高锰酸钾等氧化剂时，要严格控制加料速度，防止多加、错加，固体氧化剂应粉碎后使用，最好呈溶液状态使用，反应中要不间断搅拌，严格控制反应温度，决不许超过被氧化物质的自燃点。 ⑤使用氧化剂氧化无机物时，如使用氯酸钾氧化生成铁蓝颜料，应控制产品烘干温度不超过其着火点，在烘干之前应用清水洗涤产品，将氧化剂彻底除净，以防止未完全反应的氯酸钾引起已烘干的物料起火。有些有机化合物的氧化，特别是在高温下的氧化，在设备及管道内可能产生焦状物，应及时清除，以防自燃。 ⑥氧化反应使用的原料及产品，应按有关危险品的管理规定，采取相应的防火措施，如隔离存放、远离火源、避免高温和日晒、防止摩擦和撞击等。如是电介质的易燃液体或气体，应安装导除静电的接地装置。 ⑦在设备系统中宜设置氮气、水蒸气灭火装置，以便能及时扑灭火灾。 2 还原 如硝基苯在盐酸溶液中被铁粉还原成苯胺、邻硝基苯甲醚在碱性溶液中被锌粉还原成邻氨基苯甲醚、使用保险粉、硼氢化钾、氢化锂铝等还原剂进行还原等。 还原过程的危险性分析及防火要求： (1)无论是利用初生态还原，还是用催化剂把氢气活化后还原，都有氢气存在(氢气的爆炸极限为4％—75％)，特别是催化加氢还原，大都在加热、加压条件下进行，如果操作失误或因设备缺陷有氢气泄漏，极易与空气形成爆炸性混合物，如遇着火源即会爆炸。

(2)还原反应中所使用的催化剂雷氏镍吸潮后在空气中有自燃危险，即使没有着火源存在，也能使氢气和空气的混合物引燃形成着火爆炸。(3)固体还原剂保险粉、硼氢化钾、氢化铝锂等都是遇湿易燃危险品，其中保险粉遇水发热，在潮湿空气中能分解析出硫，硫蒸气受热具有自燃的危险，且保险粉本身受热到190℃也有分解爆炸的危险；硼氢化钾(钠)在潮湿空气中能自燃，遇水或酸即分解放出大量氢气，同时产生高热，可使氢气着火而引起爆炸事故；氢化锂铝是遇湿危险的还原剂，务必要妥善保管，防止受潮。保险粉用于溶解使用时，要严格控制温度，可以在开动搅拌的情况下，将保险粉分批加入水中，待溶解后再与有机物接触反应；当使用硼氢化钠(钾)作还原剂时，在工艺过程中调解酸、碱度时要特别注意，防止加酸过快、过多；当使用氢化铝锂作还原剂时，要特别注意，必须在氮气保护下使用，平时浸没于煤油中储存。前面所述的还原剂，遇氧化剂会猛烈发生反应，产生大量热量，具有着火爆炸的危险，故不得与氧化剂混存。 (4)还原反应的中间体，特别是硝基化合物还原反应的中间体，亦有一定的火灾危险。

(5)开展技术革新，研究采用危险性小、还原效率高的新型还原剂代替火灾危险性大的还原剂。

3 硝化 硝化通常是指在有机化合物分子中引入硝基(—NO2)，取代氢原子而生成硝基化合物的反应。如甲苯硝化生产梯恩梯(TNT)、苯硝化制取硝基苯、甘油硝化制取硝化甘油等。 硝化过程的火灾危险性主要是： (1)硝化是一个放热反应，引入一个硝基要放热152．2～153 kJ／mol，所以硝化需要降温条件下进行。在硝化反应中，倘若稍有疏忽，如中途搅拌停止、冷却水供应不良、加料速度过快等，都会使温度猛增、混酸氧化能力加强，并有多硝基物生成，容易引起着火和爆炸事故。 (2)硝化剂具有氧化性，常用硝化剂浓硝酸、硝酸、浓硫酸、发烟硫酸、混合酸等都具有较强的氧化性、吸水性和腐蚀性。它们与油脂、有机物，特别是不饱和的有机化合物接触即能引起燃烧；在制备硝化剂时，若温度过高或落入少量水，会促使硝酸的大量分解和蒸发，不仅会导致设备的强烈腐蚀，还可造成爆炸事故。 (3)被硝化的物质大多易燃，如苯、甲苯、甘油(丙三醇)、脱酯棉等，不仅易燃，有的还兼有毒性，如使用或储存管理不当，很易造成火灾。 (4)硝化产品大都有着火爆炸的危险性，特别是多硝基化合物和硝酸酯，受热、摩擦、撞击或接触着火源，极易发生爆炸或着火。 4 电解 电流通过电解质溶液或熔融电解质时，在两个极上所引起的化学变化称为电解。电解在工业上有着广泛的作用。许多有色金属(钠、钾、镁、铅等)和稀有金属(锆、铪等)冶炼，金属铜、锌、铝等的精炼；许多基本化学工业产品(氢、氧、氯、烧碱、氯酸钾、过氧化氢等)的制备，以及电镀、电抛光、阳极氧化等，都是通过电解来实现的。 如食盐水电解生产氢氧化钠、氢气、氯气，电解水制氢等。食盐水电解过程中的危险性分析与防火要点： (1)盐水应保证质量 盐水中如含有铁杂质，能够产生第二阴极而放出氢气；盐水中带入铵盐，在适宜的条件下(pH

(3)防止氢气与氯气混合 氢气是极易燃烧的气体，氯气是氧化性很强的有毒气体，一旦两种气体混合极易发生爆炸，当氯气中含氢量达到5％以上，则随时可能在光照或受热情况下发生爆炸。

篇4

[关键词]化学反应；工程教学；知识框架；方法衔接

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）08-0121-03

化学反应工程是化学工程的一个重要分支和组成部分，以化学反应过程和反应器为研究对象，旨在进行化工反应技术的开发、反应过程的优化和反应器的设计与优化，属于化学工程与工艺专业的核心课程。[1]本课程涉及物理化学、化工热力学、化工传递过程、优化与控制以及数学、物理等多领域的知识，是集综合性、工程性和理论性于一体的交叉性很强的一门学科。学生在学习本课程时，普遍感到理论抽象、数学推导繁琐、工程问题多，不少学生认为化学反应工程是大学中最难学习的课程之一。[2]甚至，很多学生在学完本课程之后，其思维仍停留在繁琐的计算公式中，不甚清楚所学知识的内在联系和具体应用。尽管已有很多关于化学反应工程的教学、教改论文，在教学内容、教学方法以及考核方法等方面提出很多有益的建议和措施，但是仍有必要进一步的对化学反应工程的内容进行一个系统的梳理，构建一个明确、系统的知识体系框架，对一些容易混淆的概念、知识点予以廓清，并针对部分知识难点的教学提出一些建设性处理方法。鉴于上述原因，笔者经过多年的教学实践，结合学生的反馈，获得一些体会，希望能与同仁们进行交流，提升本门课程的教学效果。

一、构建课程知识体系框架

由于化学反应工程具有内容多、公式多、计算繁琐的特点，很多大学生在学完本门课程后，留下的印象大多是大量、复杂的公式推导和计算，他们仍十分迷惑从这门课程中究竟学到了什么知识，所学知识有什么用？因此，在课堂教学时要力求避免纯粹的繁琐数学描述，着重进行基本概念、基本理论和工程观点的阐述。这就有必要构建一个清晰、明确的化学反应工程的知识体系，让学生清楚课程的核心目标以及不同章节知识点间的内在联系，并不过多的纠结于复杂的数学计算，方能化繁为简，更好的掌握本课程的知识。

图1画出了化学反应工程课程的知识体系框图，涵盖了课程的核心目标、研究对象及其间相互关系和主要章节内容。学习本课程的核心目标是能对化学反应过程进行正确分析，设计和优化反应器。基于此，还可开发新技术和设备，指导和解决反应过程开发中的放大问题，发展和完善反应工程学的理论和方法。工业化学反应总是在一定的反应器中进行，化学反应的特性（化学过程）和反应器的传递特性（物理过程）共同作用，影响到最终的反应结果。为了便于学习和研究，将反应特性和反应器传递特性分开来进行研究和阐述，在分别研究清楚之后，再进行综合。这就需要研究清楚两方面的内容：（1）化学反应特性，主要研究不考虑传递过程的本征动力学，属于每一个化学反应的个性，是影响反应结果的内因，不同的化学反应体系具有不同的动力学表达式。按照参加反应的物相划分，化学反应可分为均相反应和非均相反应。其中，均相反应的反应速率主要受催化剂、温度、浓度（压力）和溶剂特性的影响，在反应体系确定的情况下，其反应速率则可表示为温度（T）和浓度（C）的函数关系，即：-ri=f（T，C）。而非均相反应总是发生在相界面上，其本征化学反应过程涉及多个界面过程（如：气-固相催化反应包含表面吸附、表面反应和表面脱附三个串联过程），其反应速率除受上述因素影响外，还受到反应界面大小的影响，在催化剂确定的情况下，仍可表示为-ri=f（T，C）。本部分内容主要涉及均相反应动力学基础和非均相反应（多相催化催化）动力学基础两个章节。（2）反应器传递特性，主要是指反应器的热量、质量传递（在压力变化不大的情况下，一般不考虑动量传递）和返混特性，属于反应器的共性问题，是影响反应结果的工程因素――通过影响反应器内温度与浓度分布而改变反应结果。反应器按操作方式可以分为间歇式操作、连续操作和半连续操作。其中间隙式操作的所有流体质点具有同样的停留时间，而不存在返混问题；而连续操作的反应器根据返混的大小程度则可以分为完全不返混的平推流反应器（PFR）、完全返混的全混流反应器（CSTR）以及介于二者之间的实际反应器。PFR和CSTR中的流体流动状态是两种理想的极端情况，称为理想流动；而偏离上述两种理想情况的流体流动（不管是否由返混造成）则为非理想流动，对于非理想流动通常通过停留时间分布函数和停留时间分布密度函数，并借助于一定的流动模型来描述其流动特征。本部分内容主要分为理想流动（部分书也称之为均相反应过程）和非理想流动两个章节。

反应器的传递特性与其中发生何种反应无关，故可以通过冷模实验来研究大型反应器中的传递特征；而化学反应的本征反应动力学特性与反应器的尺寸、形式无关，则可以构建小型热态实验研究反应特性。这样就可以比较容易的分别研究清楚反应器的传递特性和化学反应特性。鉴于反应器的传递特性会改变反应器的温度场、浓度场，从而影响反应器内各质点的反应速率，进而又改变反应器内的温度、浓度分布，二者相互作用、相互影响，影响最终的反应结果。因此，需要综合考虑化学反应特性和反应器传递特性，通过数学模型法，联立物料衡算式、热量衡算式、动力学方程、动量衡算式和参数计算式，进行反应过程的分析（包括反应器的热稳定性），从而设计新的反应器或对现有反应器进行优化。本部分内容主要涉及均相反应器（含反应器热稳定性分析）和非均相反应器（主要包括固定床反应器、流化床反应器及多相流反应器）各章节。考虑到我校的化学反应工程教学课时为48学时，关于多流体相反应过程、聚合反应过程以及生化反应过程等章节的内容则不做课堂教学要求，感兴趣的同学可以自学。

二、注重方法

关于教学方法在很多教学论文[3] [4] [5]中已有较好的阐述，在这里主要针对本门课程一些难点抛砖引玉的介绍几个处理方法，希望有助于大学生学习和掌握相关内容，学会将所学知识进行移植、融会贯通。

（三）在化学反应工程中常常会涉及很多优化问题的求解问题

化学反应工程常常涉及串联反应中间产物为目标产物时的优化操作时间，循环反应器的最优循环比，CSTR串联反应器的优化组合，以及CSTR反应器的热稳定性等问题。优化问题求解实际上就是求解极值，惯用的手段就是推导出关键函数与关联操作变量的函数关系式，通过求导并令导数等于零即可求出最优操作条件。这是纯粹的数学问题，学生往往觉得抽象、难以理解，并容易因抽象的数学公式而产生厌学情绪。这时，将关键函数与关联操作变量在图上示意出其变化趋势，再结合关键函数的数学求导进行讲解就很容易被学生理解、接受了。

三、知识的衔接与应用

化学反应工程是一门集理论知识和工程应用于一身的课程，贯穿化学工程专业的大学三年级及其以后的整个大学生涯。在化工专业的课程设置和能力培养上必须注重知识的衔接和应用。我校的化学反应工程课程安排在大学第六学期，同步开设了化工专业实验，其中与本课程紧密相关的实验主要涉及反应器停留时间分布的测定（包括管式反应器流动特性测定、多釜串联返混性能测定）、多孔物质（催化剂）孔径分布及比表面积的测定、甲基丙烯酸甲酯的本体聚合及其聚合反应速度的测定、活性炭吸附法脱除气体中的有机溶剂蒸汽、煤炭反应性的测定、固体流态化实验（含流化床干燥实验）、超细粉体（碳酸钙）的制备等（上述部分实验属于设计性的选做实验）。通过实验强化学生对非理想流动特征、反应器停留时间分布特征及其测定方法、反应速率测定方法、多孔介质上气体吸附特征及其应用、实际反应器等的认识和理解，并能初步创造性的运用所学理论知识进行反应器的操控和数据的处理。第六学期期末即进行为期3周的化工生产实习，其中2周主要在燕山石化的炼油厂和化工厂进行，现场重温各类实际化工反应器及其操控；1周在校内进行，可在新建的化工仿真实验室进行石油常减压蒸馏和催化裂化工段的仿真实习，熟悉各装置的操控、调节和事故分析、处理，增强工程分析和解决工程问题的能力。每年举办的全国大学生化工设计竞赛（自2007年开始举办，时间为每年的5月-8月）为化工类大学生提供了一个很好的培养和锻炼创新思维、工程设计与实践等多方面技能的实战平台。近五年来，我校化工专业学生均组队参赛，参赛人数比例逐年递增，今年的参赛人数达整个化工专业学生总人数（指化工专业三年级大学生，个别二年级优秀学生参与体验但不组队参赛）的65%。从2014开始，我校开始尝试将本年度的化工设计竞赛题目作为化工专业的专业综合设计题目，一改使用多年设计题目的陈旧感，紧追化工领域的当前热点，师生普遍反映效果良好。在化工设计竞赛中的一大核心即是反应器的设计和模拟，有助于夯实化学反应工程学科相关知识，并学以致用。课堂教学――专业实验――设计竞赛――专业综合设计这一系列教学实践活动保证了化学反应工程知识的强化、吸收和从学到用的衔接。

四、结束语

综上所述，对化学反应工程的教学除了常规的教学方法的改进外，尚需要从课程本身的特点出发，从第一堂课开始即要构建一个清晰、明确的课程知识体系，避免过多的纠结于复杂的数学计算过程。并且，在教和学的过程中巧妙的利用一些处理方法解决知识难点，起到融会贯通的作用。此外，教学院系在化工专业培养体系和课程设置上要适当注意专业知识内容的衔接和运用，力争做到学以致用，学以会用。

[ 注 释 ]

[1] 李宝霞.《化学反应工程》教学改革模式探讨[J].高教研究与实践，2012（4）：33-35.

[2] 苟建霞，解胜利，贾冬梅.化学反应工程教学与改革[J].广西大学学报（自然科学版），2008（S1）：264-266.

[3] 尹先清，李赓.化学反应工程教学方法探讨[J].长江大学学报（社会科学版），2010（5）：32-33.

篇5

 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   

篇6

关键词：化学反应工程；工程意识；安全意识；经济意识

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）16-0159-02

化学反应工程课程是一门涉及物理化学、化工热力学、化工原理、优化与控制等知识领域，内容新颖而难点较多的专业基础课，是理论性、综合性和工程性都很强的课程，是化学工程与工艺专业的核心课程。该课程对于培养学生的工程能力，提高学生分析、解决实际工程问题的综合能力具有十分重要的作用。化学反应工程的研究对象是工业反应过程，其基本内容包括反应动力学和反应器设计与分析两大部分。工业反应过程中的动力学不仅包含反应的本征动力学，还涉及工业反应过程中的流动、传热及传质；反应器设计与分析，不仅要进行反应器结构设计、反应体积计算，还要根据工艺过程的特点和工程实际情况，进行最优操作条件确定、最佳工况分析控制等。此外，该课程还涉及到工艺过程的安全性和经济性。由此看来，该课程的内容涉及多门学科、交叉性强。因此，教师在课堂教学中，不仅要向学生传授化学反应工程的基础知识，还要潜移默化地强化学生的工程意识、安全意识以及经济意识，提高学生分析问题和解决问题的综合能力，使学生毕业后能够学以致用，更好地适应社会需要，成为高素质的化工技术人才。

一、工程意识的强化

作为一门工程性很强的课程，让学生建立起工程观念和掌握解决工程问题的方法显得尤为重要。作为教师，在课堂教学过程中，应结合课程的具体内容，系统地阐述、剖析和总结所涉及的工程实际问题，给学生以启迪和引导，强化学生的工程实践意识。化工过程的工程性尤其表现在实际问题上，往往涉及多种工程因素，各种因素之间存在着交互影响。在处理问题时常采取合理的近似，抓住主要矛盾，揭示过程的基本规律，以指导解决工程问题。例如，气固相催化反应过程的宏观反应速率，不仅受到反应物浓度、温度等的影响，还受到催化剂结构以及传质、传热等因素的影响。反应工程采用的处理方法是：引入内扩散有效因子来反映催化剂颗粒内传递过程对反应的影响，用曲折因子描述催化剂内复杂的孔结构，对球型或无限长圆柱或薄片催化剂建立其内扩散的一维模型，从而得到等温一级不可逆反应内扩散有效因子的解析。由此可以揭示内扩散过程的基本规律，表明宏观反应速率与本征反应以及内、外扩散之间的关系，给工业催化剂颗粒大小、形状和结构设计指明方向。工程问题的研究往往是从理想化模型入手，然后再一步步深化到复杂的实际问题。例如，对连续流动反应器的设计计算，首先从两种理想情况――全混流反应器（CSTR）和活塞流反应器（PFR）入手，建立其理想化的模型方程，对模型方程进行求解计算。但是，并不是所有的连续釜式反应器都具有CSTR的特性，也不是所有的管式反应器都符合PFR的假设。要计算非理想流动反应器的转化率及收率，应该依据反应器的停留时间分布，采用对理想流动模型进行修正，或者是将理想流动模型与滞留区、沟流、短路等作不同组合的方法，建立适宜的流动模型，然后进行求解计算。由理想流动模型到非理想流动模型设计计算的转变，学生往往不易接受和掌握，这是在授课过程中尤其要强调的。对工业反应过程进行研究，要注重将对过程中本征化学反应的研究以及对过程中诸如返混、传质、传热等物理过程的研究相结合，即将化学因素和工程因素相结合，进行综合分析，指导反应器设计及操作。例如，对于中间产物P为目的产物的连串反应：APQ，要提高目的产物P的选择性，需要在较高的反应物A浓度和较低的中间产物P浓度下进行。而反应器中的返混会造成反应物浓度普遍降低、生成物浓度普遍升高，因此返混对该连串反应是不利的。采用连续操作时，应该选择接近活塞流的管式反应器，或接近全混流的多级釜式反应器串联；在加料方式上，分段或分批加料会使反应器中A浓度下降，不利于P选择性的提高。诸如此类化学因素与工程因素的结合，往往是学生的薄弱环节，应通过教学过程中多个类似事例的分析总结，逐步强化学生的工程意识，提高综合分析能力。

二、安全意识的强化

化工生产一般都具有易燃、易爆、易中毒等特点，大型化工企业生产过程多具有工艺复杂、连续性强、安全隐患多的特点，一旦发生事故则波及面广、影响范围大、后果严重。安全生产要贯穿于生产的全过程，从项目的设计、施工、安装到竣工验收、试运转、投入生产，各个环节都应以安全为前提。在课堂教学过程中，要强化安全意识，使学生懂得安全与生产技术密切相关，设备设计计算、操作条件的确立和优化必须以安全为主。在讲授到反应器的飞温及参数敏感性时，尤其要强调安全的重要性，一个设计合理的反应器必须在稳定而又不敏感的状态下操作。许多石油化工产品的生产采用催化氧化工艺，例如，乙烯在银催化剂上氧化合成环氧乙烷是强放热复合反应，主要副反应是深度氧化生成二氧化碳和水，副反应的热效应和活化能都大于主反应，一旦反应温度超过某一数值，副反应加剧，温度剧烈升高，又加剧了深度氧化副反应，造成系统温度迅速升高的飞温现象，控制不当，会引起爆炸。另外，在实际工业过程中，各种工艺参数如进料温度、进料浓度、进料流量、冷却介质温度和空速等不可避免地存在着扰动，如果在参数敏感区域操作，微小的波动就可能导致“热点”温度发生很大的变化，甚至造成飞温和事故。对于具有强放热深度氧化副反应的有机物催化氧化反应，这一点必须重视[1]。因此，在反应器设计及操作中，应首先考虑稳定性和参数敏感性条件的限制，这是关系到生产安全的大问题。在讲授反应器热稳定性内容时，涉及到着火点与熄火点，教师应引导学生分析着火与熄火现象对反应器操作控制的重要性，特别是开停工的时候尤其应该重视。例如，在熄火点附近操作时，操作条件稍有波动，则易产生降温以致温度过低，会造成反应速率降低甚至终止反应。操作温度若是在着火点附近，进料温度稍有改变，便会产生超温，可能出现烧坏催化剂或者发生爆炸事故[2]。因此，从设备设计到操作条件的确定，都应以安全作为前提。从课程学习阶段就培养学生的安全意识尤为重要。

三、经济意识的强化

一种化工产品的获得常常有多种途径，不同途径所消耗的资源是不同的。对于确定的工艺路径，如果所采用反应器的型式、操作条件、催化剂结构等不同，所消耗的人力、物力、财力等就会有相当大的差别。因此，要对化工过程进行优化，即在满足安全（如爆炸限、催化剂、设备材质的耐温极限）、环保（如有害物质的最高排放量）、产品质量等方面的前提下，寻求能达到最经济的过程结构、设备型式和设备尺寸以及操作条件。反应器的操作状况对化工生产过程的技术经济指标往往具有决定性的影响，而经济指标归根结底又是由技术指标决定的[3]。化工工艺人员进行化工设计的主要任务就是根据工艺过程的特点，确定设备型式和设备尺寸、最佳操作条件等内容。因此，对学生进行经济意识的强化是很有必要的。在工艺条件的确定方面所涉及到的基础知识，学生一般都学过，关键是不知何时用或者如何应用，不会综合分析，这就需要教师多用事例进行分析说明，使之潜移默化地逐渐掌握。例如，关于气固相催化反应最佳操作压力的确定：反应压力影响工艺过程的动力消耗以及设备投资，最佳操作压力的大小与工艺过程的特点、催化剂的活性温度等有关。①从能耗上看：压力大小将影响原料气压缩功、循环气压缩功以及产品分离的功消耗。②从催化剂活性温度来看：对于体积减小、可逆放热的气固相催化反应，压力升高，对平衡有利，温度升高对平衡不利。但若由于催化剂温度范围的限制，必须达到一定的反应温度，则只能用提高压力，以提高平衡常数来达到较高出口转化率的要求。此时，其后续分离过程、循环过程有可能简化，以降低设备费用及操作成本。因此，最佳操作压力的高低，应综合考虑多种因素，按着总体经济效果最优的原则来确定。又比如，对气固相催化反应，固体催化剂颗粒尺寸（相当直径ds）是一个重要参数，它影响到宏观反应速率和反应器压降。如ds小，则内扩散影响小，宏观反应速率高，催化剂用量减少。但ds小，床层空隙率低，对于体积流速一定的气体通过床层时的压力增大，从而增加过程的动力消耗。因此，ds的大小，要考虑到气流、床层特性以及其他具体情况，综合分析来确定。

在化学反应工程课堂教学中，教师不仅要向学生传授化学反应工程的基础知识，更应该通过对具体事例的分析，启发学生认识工程问题的特点，掌握将基础理论应用于解决实际工程问题的方法；使学生意识到工艺过程的设计计算、操作条件的确立要以安全生产为前提；要学会按着工艺过程的特点进行综合分析，以确定工艺过程的技术指标，使工艺过程更加经济可行。总之，要强化学生的工程意识、安全意识以及经济意识，培养学生分析问题、解决问题的综合能力，使学生毕业后能够学以致用，很快地满足工作需要。

参考文献：

[1]朱炳辰.化学反应工程[M].北京：化学工业出版社，2007：167.

篇7

    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

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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

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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

[1]周继亮.化学反应工程课程教学改革与思考[J].科教创新，2008，（1）：103—104.

[2]王矗，金涌， 程易等.化学反应工程教学新理念和实践探索[J].化工高等教育，2009，（2）：1—4.

[3] 王平，程丽华，谢颖.化学反应工程的教学经验总结[J].广州化工，2012，（11）：191—192.

[4] 赵启文，张兴儒，董新艳等.化学反应工程教学改革与实践[J].内蒙古石油化工，2008，（13）：76—77.

[5] 聂伟安，龙立平，熊文高等.“实践一认识一再实践"教学方法在 化学反应工程教学中的应用[J].化工高等教育，2007，（5）：86—88.

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1精选教学内容

新的人才培养方案要求在教学过程中不能盲目追求高、精、深，要充分考虑人才供给与社会需求的关系，以为地方经济发展培养优质应用技术型人才为导向，我们选用朱炳辰教授主编的《化学反应工程(第五版)》作为教材。在教学内容上我们将整个教学内容分为三大块，第一部分是绪论，在教学过程中通过组织学生讨论平顶山区域煤化工盐化工发展状况，引导学生提出化学反应工程的研究任务、对象和研究方法，激发起学生的学习兴趣。我校为新近升本的二本院校，生源特点是学生基础较差，根据学生的特点结合多年教学经验，重基础知识教学效果较为理想，因此，教学内容的第二部分选择化学反应工程的基本原理、理论和研究方法，精选化学反应动力学、混合与返混、反应过程热量与质量传递、复合反应的选择率与收率、反应器热稳定性等内容，突出讲解影响反应结果的工程因素，为学生开发反应过程和反应器打下扎实的理论基础。基础理论的学习是为了应用，第三部分选择反应器设计、反应器的数学模型和反应器中的传递过程的影响作为重点内容，通过理想的间歇釜式反应器、全混流反应器、平推流反应器的学习，使学生掌握用数学模型进行反应器设计的基本方法，对反应与传递对反应过程的开发，反应器的放大设计的影响有深刻的认识。

2改进教学方法

应用型人才既要具备扎实的基础理论，更要有较强实践能力和解决问题的能力。在反应工程课程教学过程中，突出应用导向，通过由教师教导为主向以学生学为主的转变、案例教学、课程设计来强化基本原理、基础知识，精炼反应器设计、达到突出能力的效果。随着高校的扩招，教学对象的智力因素和学习能力已经产生了巨大的变化，我校不少学生习惯于被动式的学习方式，不愿意主动思考。怎么样在教学过程中充分调动学生的积极性，发挥学生的主观能动性尤为重要。在绪论部分教学中，我们采用由老师抛出问题“平顶山的煤资源和盐资源丰富，现在要扩建年产40万吨氯碱新厂，如果你是厂长的话你该怎么办”，再引导学生展开讨论，如根据年产量确定日产量、选用反应器、确定反应器的体积、确定需要的其他配套装备等等，学生反应非常热烈，通过讨论由学生总结出化学反应工程的研究对象，任务，研究方法，学生经过自己积极思考，大脑风暴后得出结论，大大激发出他们的学习兴趣。在基本原理、理论的教学过程中，重点讲处理问题的方法。反应工程中的基本概念由老师主导精讲，如混合与返混、收率与选择率等概念，强调反应工程处理问题的思维方法，即工程因素通过影响反应物的浓度和反应温度来改变反应结果。对于较难的温度和浓度对反应速率的影响部分，教师详细讲述解决问题的思路，将学生合理分组，提前安排学生自己学习，安排课堂讨论，学生通过自主讨论，举一反三，掌握工程因素对反应影响途径和解决问题的思路、方法。反应器设计部分教师详讲每种反应器的特点，重点讲述反应器设计的思路，列物料衡算和热量衡算式，带领学生推导出间歇反应器的设计方程，再由学生自行推导其他理想反应器的设计方程，学生在推导过程中根据不同反应器的特点，归纳总结，找其中的异同点。通过反复训练，让学生学会独立思考问题、发现问题，培养学生分析问题并解决问题的能力。在反应工程课程的课堂教学中，如何提高学生的学习兴趣，培养他们的创新意识，工程意识，让学生把化学反应工程的基础理论与企业生产相互衔接起来，真正从工程角度去揣摩生产工艺的每一环节，继而成长为一名综合素质高、技术本领硬的卓越工程技术人才，具有十分重要的意义。在与工业反应器联系紧密的反应器设计部分教学中，针对性的采用案例教学，选取与教学内容相关的案例“年产3万吨尼龙66间歇聚合釜设计、年产5万吨甲醇管壳式反应器设计、年产5万吨苯乙烯绝热径向反应器设计”，理论课讲述之前将案例材料发给学生，让学生熟悉材料，再进行理论讲解，以所选取的案例为例，讲解设计思路，例如如何确定反应器体积、操作条件、设备材质结构的确定等，课后由学生分组讨论合作，自行完成设计任务，然后组织学生进行汇报答辩，对所完成的设计进行分析讨论以及评价。学生通过针对性的设计练习，激发出学生的学习热情，培养其应用理论知识解决实际问题的能力。

3积极参与产学研一体化

通过课堂教学改革由知识本位向技能本位转型只是一个方面，是培养应用技术型人才的一种手段，从根本上真正提高教学质量的关键是大力开展产学研一体化，充分利用学校和企业两种不同的教育环境和教育资源，通过学和企业双向培育，将理论知识、技能训练和企业实际工作经历有机结合，培养高素质的应用技术性人才。在本课程的教学中，充分利用我院的校企合作平台，与许昌龙兴达煤化有限公司，河南赛福特农产品检测服务有限公司等单位进行专业对接，为学生创建校外实习基地，保证理论知识在实践中的应用，企业为学生提供部分工作岗位，使得学生在校期间能接受到真正的高技能训练。

4结语

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化学反应过程是化工生产过程的核心,流程中反应器的投资不一定最大,但反应器的设计精度、操作控制精度均要高于其它设备,是决定最终产品产量和质量的关键部位。化学反应工程是一门研究工业反应过程的开发和反应器设计、优化、放大的工程学科。目标是通过学习培养学生分析、解决工业反应器设计、操作和控制中遇到的实际工程问题的能力。化学反应工程是人类从科学实验和生产实践中总结发展起来的,它离不开科学实验和生产实践。学生在学习时普遍感到理论抽象、数学推导繁琐、工程问题多,不少学生认为化学反应工程课程是大学中最难学习的课程之一。本科生的工程背景知识不足,仅靠理论教学难易将反应工程基本原理与工业反应过程有效结合,难易将知识内化为学生的能力。开好这样一门课程,改革实践教学是深化书本理论知识、强化工程应用能力的有效途径之一。为此,青海大学化工学院(以下简称“我院”)在加强实践性教学方面进行了一系列的探索,采取加大课程实验、开设课程设计、开展反应器操作仿真实训、鼓励学生参加科研活动等一系列改革措施,取得良好的教学效果,显着加深了学生对化学反应工程基本原理的理解,有效提高了学生在反应器设计、科学实验研究、反应器操作等方面的实践动手能力。

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 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

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关键词：原位反应自生法 复合材料 材料科学与工程专业 实验教学 研究 应用

一、前言

在材料科学与工程专业的本科教学工作中，本科学生在高年级就开始学习材料科学与工程专业的基础课程和专业课程。其中在材料科学与工程专业课程教学中，在讲述材料的制备工艺方法中讲述过原位反应自生法制备复合材料。原位反应自生法是制备金属基复合材料，金属陶瓷复合材料，以及金属间化合物/陶瓷基复合材料的主要方法。原位反应自生法是在一定条件下通过化学反应在基体内原位生成一种或几种增强相从而达到强化的目的。这种方法可得到增强体颗粒尺寸细小，热力学性能稳定，界面结合强度高的复合材料，是一种很有前途的颗粒增强复合材料制造工艺。原位反应自生法制备复合材料由于具有可以达到净近尺寸成形的优势，所以能够广泛应用于工程领域中。在材料科学与工程专业的本科课程教学中，在材料加工工程和材料制备方法中都讲述过原位反应合成技术。此外还可以将原位反应自生法制备复合材料作为一项实验教学内容安排学生进行实验，使学生认识和了解原位反应自生法制备复合材料的工艺过程。所以原位反应自生法制备复合材料在材料科学与工程专业教学实践中得到广泛的应用。本文首先讲述原位反应自生法制备复合材料的原理和制备工艺过程，并讲述原位反应自生法制备复合材料在材料科学与工程专业教学实践中的研究和讨论。并对原位反应自生法制备复合材料的未来发展趋势进行分析和预测。

二、原位反应自生法制备复合材料的原理和制备工艺过程

为了克服传统方法制备的复合材料存在增强体颗粒尺寸粗大，热力学不稳定以及界面结合强度低等缺点，出现了原位合成技术，即在一定条件下通过化学反应在基体内原位生成一种或几种增强相从而达到强化的目的。原位自生法是通过原料粉末中的某些化学反应生成所需要的反应产物并通过热压烧结工艺制备出复合材料试样。原位反应自生法可得到增强体颗粒尺寸细小，热力学性能稳定，界面结合强度高的复合材料，是一种很有前途的颗粒增强复合材料制造工艺。目前报道的原位合成技术主要有原位反应热压烧结技术，原位复合技术，定向氧化技术，熔体浸渍技术，反应结合技术及自蔓延高温合成技术等。定向氧化合成技术是利用放热反应在金属或金属间化合物基体中原位分散金属间化合物或陶瓷颗粒或晶须的原位复合技术。原位自生法是通过反应物之间的反应生成所需要的反应产物并通过热压烧结工艺实现致密化。原位合成法是利用化学反应在原位生成补强组元-晶须或长径比较大的晶粒来补强基体材料的制备工艺。原位合成法主要具有如下优点：简化工艺，降低材料成本，实现特殊显微结构设计和获得特殊材料性能，具有很好的热力学稳定性。金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备方法主要有原位复合技术和定向氧化技术以及原位反应热压烧结工艺。可以采用原位反应热压烧结工艺制备金属间化合物/陶瓷基复合材料。原位复合技术是由于金属间化合物反应的形成热相对较低，因而采用自蔓延燃烧时系统不易达到较高的绝热温度，故一般采用原位复合技术制备和合成复合材料。原位复合技术是利用放热反应在金属或金属间化合物基体中原位分散金属间化合物或陶瓷颗粒或晶须的原位复合技术。传统的方法是将粉末压坯在恒定速率下加热到可使反应自发的产生并在整个混合物中处处发生反应。定向氧化技术是定向金属氧化工艺可用于制备金属基复合材料。原位反应热压烧结工艺是将原位反应和热压烧结工艺相结合制备致密的复合材料。

三、原位反应自生法制备复合材料在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用

原位反应自生法主要用于制备金属陶瓷，金属间化合物，金属间化合物/陶瓷复合材料等。在材料科学与工程专业的教学课程中，其中材料加工工程和材料制备与合成方法讲述过原位反应自生法。原位反应自生法同粉末冶金技术和液相烧结技术一样都是材料制备技术。原位反应自生法同样是热加工工艺，原位反应自生法涉及到反应物高温化学反应制备产物的过程。在材料科学与工程专业课程的课堂教学中，在有些专业课程中原位反应自生法只是作为了解，对于原位反应自生法制备复合材料的具体内容和制备工艺步骤的研究和应用了解很少。所以就需要在材料科学与工程专业的实践教学课程中增加一些关于原位反应自生法制备复合材料的实验课程。通过原位反应自生法制备复合材料的实践教学活动可以使学生认识和了解原位反应自生法制备复合材料的原理，制备工艺过程以及对经过原位反应自生工艺后得到的金属基复合材料烧结制品的物相组成，显微结构和性能进行研究，使学生通过对复合材料的制备与研究过程可以加深学生对材料科学与工程专业课程学习的认识和了解。对于本科学生的教学实践课程，可以在本科学生的本科专业课程设计和本科毕业设计过程中安排采用原位反应自生工艺制备金属基复合材料和金属陶瓷复合材料的教学内容。例如采用原位反应自生工艺可以制备金属陶瓷复合材料，先将金属陶瓷粉末通过压力成型工艺制成坯体，并通过原位反应自生工艺和高温烧结工艺制备金属陶瓷复合材料。高温烧结工艺可采用常压烧结工艺，热压烧结工艺和放电等离子烧结工艺以及热等静压烧结工艺。采用原位反应合成工艺可以制备金属间化合物/陶瓷基复合材料，通常先将金属间化合物粉末和陶瓷粉末通过压力成型过程在一定压力下压制成具有一定形状和致密度的预制件，通过原位反应自生法和高温烧结工艺形成金属间化合物/陶瓷基复合材料。高温烧结工艺可采用常压烧结工艺，热压烧结工艺和放电等离子烧结工艺以及热等静压烧结工艺。有时将原位反应自生法和热压烧结工艺相结合制备致密的复合材料烧结块材。通过实验教学过程使学生认识和了解到原位反应自生法制备金属陶瓷复合材料的制备工艺过程，提高学生对专业课程学习的认识和了解。使学生通过实验教学认识和了解了原位反应自生工艺制备复合材料的制备工艺原理，使用方法和制备过程，以及对得到产物的物相组成和显微结构进行分析和测试。原位自生法可以制备金属基复合材料，金属陶瓷复合材料等。采用原位反应自生法可以制备颗粒增强的金属基或陶瓷基复合材料。

原位反应自生工艺制备复合材料涉及到反应物在高温下发生化学反应生成反应产物的过程，原位反应合成技术操作过程比较简单，对设备要求较低，只需要高温烧结炉，可以进行现场操作，因此可以作为本科学生的实验课程教学内容，可作为材料科学与工程专业课程的辅助教学实验，也可以作为本科专业课程设计和本科毕业设计教学内容。使学生通过实践教学来加深对材料科学与工程专业课程的认识和掌握。使学生认识到金属基复合材料的制备过程以及金属陶瓷复合材料的制备过程等，并使得学生对原位反应自生法得到的烧结制品进行分析和测试，使学生对材料的分析和检测水平有较大的提高。对于拓展学生的知识面有很大的帮助。为本科学生以后的本科专业课程设计和本科毕业设计打下坚实的实验基础。

四、原位反应自生法制备复合材料的未来发展趋势和应用

原位反应自生法制备复合材料在材料科学与工程领域有着广泛的研究和应用。原位反应自生技术由于制备工艺简单，成本较低，对设备要求较低，只需要高温烧结炉，所以被广泛的应用到金属基复合材料，金属陶瓷复合材料，金属间化合物/陶瓷基复合材料等的合成与制备中。利用原位反应自生法可以开发新型的金属基复合材料和金属陶瓷复合材料以及金属间化合物/陶瓷基复合材料。采用原位反应自生技术可以开发出很多种类型的金属基复合材料和金属陶瓷复合材料。所研究和开发的材料种类也逐渐增多，应用范围也越来越广泛。原位反应自生技术在材料科学与工程专业教学与实践中也得到广泛的推广和应用，原位合成技术已经成为材料科学与工程专业实践教学课程进行的实验内容。所以本文作者认为应该在材料科学与工程专业的教学实践中增加一些采用原位反应自生技术制备复合材料的实验课程。

五、结论

本文主要讲述原位反应自生法制备复合材料的原理和制备工艺过程，并详细讲述原位反应自生法制备复合材料在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用。原位反应自生法广泛应用在制备金属基复合材料，金属陶瓷复合材料等领域中。本文作者认为原位反应自生法制备复合材料可以应用在材料科学与工程专业的教学实践中，应该增加一些原位反应自生法制备复合材料的实验课程，扩大学生学习的知识面，提高学生的认识了解能力，从而提高实践教学质量。通过原位自生法制备复合材料的实验教学过程提高学生的知识水平和认识能力。

参考文献

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[6]李青虹，晋芳伟.机械专业实验课程教学改革的研究[J].机电技术，2011（1）：149-151

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关键词 化工反应工程实验；教学改革；实验技能

中图分类号：G642.423 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2012)12-0117-03

Reform and Practice in Teaching Chemical Reaction Engineering Experiment//Yang Yaping1, Chen Ruijie1, Lu Chun’e2

Abstract By means of the course status analysis, this article describes specific practices of reform on equipment development and improvement, teaching content, teaching methods, assessment methods of Chemical Reaction Engineering experiment in Southeast University Chengxian College. Practice shows that the reform will help improve the skills in organic synthesis experiments and overall quality of students, ensure the improvement of teaching quality.

Key words chemical reaction engineering experiment; teaching reform; skills in experiment

Author’s address

1 Department of Chemical and Pharmaceutical Engineering of Southeast University, Chengxian College,

Nanjing, China 210088

2 School of Chemistry and Chemical Engineering of Southeast University, Nanjing, China 211189

化学反应工程是化学工程的一个分支，简称反应工程，于20世纪50年代才开始逐渐形成。化学反应工程课程是一门综合性、工程性和理论性都很强的课程，既有工程问题的共性特点，又有工艺过程的个性特征。本课程要求学生有较为扎实的物理化学、化工原理、化工热力学、工程数学和计算机基础。化学反应工程课程教学内容覆盖基本理论、实验教学两个教学环节，与化学反应工程理论课程相配套的实验课程化工反应工程实验，是一门化学工程与工艺专业高年级化工类专业实验的必修课[1-3]。本实验课程根据化学工业的生产特点，以动力学为基础，通过定量计算、实验技能和设计能力的训练，培养学生牢固的工程观点，使学生对化工生产中常用的反应器有一个深层次的了解。通过该课程的学习，培养了学生运用基础理论分析解决各种实际工程问题的能力，为化工行业培养具有科研、设计和生产实践等方面需要的专业人才。

1 化工反应工程实验课程的现状与分析

东南大学成贤学院是一所以培养应用型人才为目标的独立学院，化工与制药工程系自2007年建系以来，化工反应工程实验一直作为化学工程与工艺专业高年级学生的必修课，是有机化学、无机化学、物理化学和化工原理四大化学课程的一个延伸与拓展。目前，化工与制药工程系化工反应工程实验引进6套实验装置，主要开设了与设备相对应的6个实验，分别是乙苯脱氢制苯乙烯、甲苯氧化制苯甲酸、变压吸附制富氧、非稳态导热系数的测定、单多釜提留时间分布及萃取精馏实验。所有的实验设备和仪器全部采购于某高校，每台实验设备对应一个固定的实验内容，受仪器设备台数条件的限制，同时设备中存在部分设计的局限性，使得反应工程实验始终停留在原有的实验教学模式和教学内容上，在实验大纲和内容上基本沿用了该高校的教学大纲和教学管理模式，没有任何突破和改进。

考虑到学校人才培养模式和定位与该高校有较大的差异，化工与制药工程系专业设置和学生生源质量等诸多方面与该高校也有相当大的差异，如果完全照搬该高校实验课程的设备和教学内容，就会缺乏该系化学反应工程实验自己的课程特色，缺乏实验内容的创新性，在人才培养上就会显得定位不明确，不能完全体现学院自己的办学特色。

2 优化和扩展实验内容

考虑到以上因素，结合目前化工反应工程在化工行业的发展要求，针对原有实验教学内容上的缺点和不足，化工与制药工程系先后进行一系列的教学改革和实践，主要从以下几个方面进行优化和扩展。

2.1 开发和改进实验设备

目前，化工行业发展迅猛，尤其是新工艺新设备更新换代迅速，原有的很多化工操作单元已经不能完全适应化工行业的发展需求。例如，化工产品的分离提纯是化工行业最普遍操作单元，主要包括减压蒸馏、萃取精馏、加压精馏和加盐精馏等。而该系化学反应工程实验中只有一套精馏萃取装置，而在减压精馏、加压精馏、加盐精馏等提纯分离方面，学生只是停留在课堂理论的基础上，缺乏对这些化工分离操作的实践认知和操作过程训练。

为了适应这一化工行业的发展需求，学院特别针对化工反应工程实验进行了教学改革，方案中专门对化工反应工程实验的装置进行了设计和改造，在院大学生实践创新活动中，组织专门的教师和学生进行实验装置的设计与改造。学生在此次创新活动中，对化工原理、化工热力学、机械制图等方面的知识进行了系统的巩固和综合提高。经过一年的努力，利用实验室现有的场地，自行设计了精馏实验装置和气液反应实验装置等两套设备装置，设计的装置在材质和仪表控制上都做了改进，改变了以往玻璃材质耐压和耐高温性能差、仪表和输液泵不够精确的特点。新设计的精馏实验装置能够实现萃取精馏、加压精馏、加盐精馏等多种分离提纯操作，新设计的气液反应实验装置能够对很多典型的气液反应实验进行操作。

另外，还改进了化工反应工程实验现有设备中的一些设计缺陷和不足。如在甲苯氧化实验中冷凝效果不佳，于是增加二级空气冷凝管使冷却效果大大改善；在乙苯脱氢制苯乙烯实验中，原料必须先校正流量配比后方可输入反应釜中，但由于反应位置与校正位置高度相差较大，导致原料进料配比与校正进料配比相差，于是通过改变输液泵类型、液位槽位置等手段，使得反应配比更加准确，使反应收到很好的效果。

2.2 丰富实验教学大纲的内容

为了丰富和扩展化工反应过程实验教学大纲的内容，提高教学质量，不仅利用现有的设备开发出了新的实验内容，提高了现有设备的利用率，同时利用自行设计的实验装置，增加了新的实验内容。如新增了化工产品分离提纯实验和气液分离实验的内容，主要包括减压精馏、加压精馏、加盐精馏、气液反应等实验操作内容，如丙醛脱水实验属于加压精馏实验，对二异丙苯氧化反应实验属于气液反应实验。另外，利用现有的设备开发出更多的实验内容。例如，利用乙苯脱氢的实验装置，增加了化工反应过程中典型的流化床反应器的操作内容。通过增设这些化工反应过程中典型的操作单元实验内容，丰富了化工反应工程教学大纲[4]，使化工反应工程实验操作过程和方法紧跟化工行业发展的脚步，体现了学院对应用型人才培养的特点。

2.3 建立化工反应工程实验工作站和仿真实验平台

为了模拟和优化化学反应工程实验的实验条件、工艺参数，同时克服现有实验设备数量的局限性，对现有的几个化工反应工程实验建立了的工作站和仿真实验平台。通过工作站处理软件对实验数据的现场采集，可以快速地进行数据处理和分析，及时有效直观地对实验结果进行评价，同时减少人为因素处理数据的误差和繁琐，提高了实验教学效率[5]。另外，通过建立仿真实验平台，可以模拟不同条件下化工反应的控制过程，特别是一些受设备条件限制（如高温高压条件）的实验过程，对实验操作过程具有一定的理论依据和指导意义。

2.4 实验内容中增加产物表征操作

化学反应工程实验中，在数据分析与处理中有的设备配备有专门的数据处理软件，直接对实验数据进行分析处理，学生实际动手操作的机会就相对较少。为了改变这种状况，在实验内容中加强实验反应过程的监测、实验结果表征方面的实验内容。如利用气相色谱仪监测反应过程中反应液的含量来判断反应进程，通过热导检测器来分析精馏萃取液中水分的含量来确定最佳工艺条件，利用碘量法测定过氧化物的含量，等等。学生不仅在整个实验过程中操作技能得到锻炼和提高，同时对数据的处理分析、产物的表征、谱图的解析等方面都得到了学习和提高。

3 加强过程管理，改进实验教学方法

实验过程管理是实验教学内容的重要组成部分，是保障实验教学质量的重要环节。化学反应工程实验属于大型设备实验，是一门操作少而理论性相对较强的实验教学，加强过程管理，形成化工反应工程实验教学的学科特色，提高实验教学质量和水平十分重要。

3.1 加强实验过程控制

化工反应工程实验学时数相对较长，学生等待和空闲的时间较多。为了充分利用实验过程中的等待时间，使实验学时数更加饱满，实验过程中加强巡视，强调实验过程中实验现象的观察、数据的采集整理和分析。在整个实验过程中，学生的实验操作能力、数据分析、谱图解析、结果的分析与讨论等各方面的能力都得到全面的锻炼和提高。

3.2 合理分配循环实验时间

化学反应工程实验由于受到实验特点和台件数的限制，目前大都采用循环方式安排实验，这就存在多个学生操作同一台仪器设备的情况，使得有些学生得不到操作和锻炼的机会。为了改善这种状况，采用分组细化的方法，即同一台仪器操作过程中，按照实验学生数量来改变工艺条件参数进行分组实验，尽可能地让每个学生都有动手操作的机会。同时，由于工艺条件参数的不一样，使得学生实验操作过程、实验数据处理及结论也不完全一致。这样既让更多的学生得到了训练和提高，也改善了大量实验数据重复，同组间学生实验报告抄袭雷同的现象。

3.3 树立牢固工程观念，培养工程分析能力

化工生产过程错综复杂，为了让学生更好地掌握化工反应实验过程理论知识和实践水平，透过现象看本质。在实验教学过程中，教师应从分析工程因素的本质及反应特征入手，突出强调过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响。如通过实验中工艺条件及参数的变化来分析实验结果的影响，让学生通过实验来分析化工反应过程的基本规律，引导学生掌握化工反应工程研究的基本方法，使学生树立牢固的工程观念，培养学生采用工程分析方法来分析和解决工程实际问题的能力。

4 改革实验考核方法，综合评定学生成绩

综合评定学生的实验成绩是考察实验教学效果的一个重要途径，化工反应工程实验以往主要从预习报告和实验报告等方面进行考评。由于化工反应工程实验主要是以工业反应过程为主要研究对象，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响，因此，考虑到化工反应工程实验课程的特殊性，在学生成绩评定中，应适当增加学生实验操作技能、实验数据处理、实验结果分析与讨论等方面的评分比例，同时对学生的出勤、预习报告、实验报告完成情况、实验态度及卫生等划分不同的权重进行考评，多方面综合评定学生的实验成绩，而不再把实验结果的好坏作为衡量实验成绩的唯一标准。即便学生的实验结果不理想，但在实验报告中能做好实验数据的处理、实验结果的分析与讨论，从而找到失败的原因，就可以获得较好的实验成绩。通过这些考核制度的改革，培养了学生实事求是的科学态度，同时，学生的实验技能、数据处理和分析能力等综合能力都得到很大的提高。

5 结束语

虽然实施化学反应工程实验教学改革与实践时间不长，但已经收到了较好的成效。例如，化工与制药工程系在金陵石化、扬子石化认识实习和下场实习过程中，学生表现出比较强的动手操作能力和工程实践能力；在毕业设计阶段，学生表现出较强的操作技能、独立工作能力和综合实验能力；另外，有相当一部分学生在扬子总控工和高级工的培训中顺利通过考试，取得了总控工和高级工的资格证书。然而也清醒地看到，实验教学改革与实践是一个持续的过程，

化工与制药工程系应顺应化工行业变化的形势和发展要求，不断深化教学改革，充分发挥学生的主体作用，不断优化和完善教学模式和管理水平，突出专业内涵建设，不断提高教学水平，加强实验室建设，着力提高实验教学水平。尤其在化学反应工程实验中增设创新性、开放性实验内容，还有待进一步的探索和研究。

参考文献

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[2]张雅明,谷和平,丁健.化学工程与工艺实验[M].南京:南京大学出版,2006.

[3]房鼎业,乐清华,李福清.化学工程与工艺专业实验[M].北京:化学工业出版社出版,2000.

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1理论教学与实践教学紧密结合，巩固专业知识

化学反应工程作为化工专业的主干课程，理论课、实验课在第6学期同步开设，在课程衔接方面起着承上启下的作用。理论课共42学时，重在培养学生熟悉反应动力学基本理论和树立反应器设计中的工程观念;实验课共24学时，其目的在于培养学生动手能力、操作能力以及解决工程问题的能力，同时也可加深学生对所学理论知识的认知程度［4］。化学反应工程实验中心于2015年建成并投入使用，在2012级化工专业学生中开设。实验内容包括流动性能测定、气固催化反应、液固催化反应动力学、气相扩散系数等。由于化学反应工程学科体系十分复杂，且与高等数学、物理化学等基础学科密切相关，并与化学热力学、反应动力学、传递工程等存在交叉关系，教学难度较大，普通抽象的讲授很难达到预期的教学效果，必须科学地选择和应用适宜的教学方法，将抽象的内容具体化，因此可通过开设实验课解决这一难题［5］。如学生在理论课接触到流动性能测试方法为物理示踪法，示踪剂的输入方式有脉冲法，阶跃法，但理解起来还是有些囫囵吞枣，云里雾里的感觉，通过实验过程，学生亲自使用注射器加注示踪剂，体会到脉冲示踪的真正含义;通过阀门及仪表控制电磁阀切换流体，加入示踪剂，也深刻领悟了阶跃示踪法的特点，在此基础上，学生能够对流体流动性能测试实验有清晰的认识，也能够结合概率知识密度函数及分布函数去处理反应工程中的具体问题。

2启发式教学，培养学生树立工程意识

启发式教学，就是根据教学目的、内容、学生的知识水平和知识规律，运用各种教学手段，采用启发诱导办法传授知识、培养能力，使学生积极主动地学习，以促进身心发展。启发既是一种方法，更是一种教学指导思想，是相对于灌注式而言的。由于实验课的特殊性质，决定了师生之间可采用一种较为灵活的启发式互动教学法。目前实验设备按类型分为验证型，综合型实验。实验课提前分组，确定每次实验内容，要求学生分组合理，每组成员分工合理，每个参加实验的同学都要提前预习，了解实验原理及相关注意事项，在接触到具体实验设备时，要求学生对照实验指导书所示流程图，分清所有仪表、阀门、管路的具体作用，教师不讲或少讲实验原理，随机抽查学生去讲解实验过程及实验整体安排、预习程度、查阅文献情况、实验设计思路，从而能够激发学生去思考，去摸索。从理论课被动接受相关反应器知识，到实验室亲自操作仪器，合成反应，在此过程中，学生根据自己设计的最佳方案来安排实验，完成药品的配制、仪器的准备和仪器的安装与调试;根据拟定的实验步骤进行实验操作，观察实验现象，准确无误地记录实验数据。教师应全程跟踪学生的实验过程，以便及时发现和解决实验过程中遇到的各种问题，正确引导学生顺利完成实验。这既锻炼了学生思考问题的能力，也对教师专业知识的储备提出更高的要求，因此能够体现教学相长［6］。实验结束之后，要求学生会用专业软件去处理实验数据，并将实验报告按照预习报告－实验过程报告及数据处理结果－实验原始记录顺序整理成册，统一上交，集中批改，并结合学生在实验过程中的操作情况给出最终成绩。

3先实验再实践，提高工程实践能力

作为化工专业的本科生，从第6学期第1周开始进行化学反应工程理论课的学习，通过初次学习已明确了“三传一反”是化学反应工程的理论基础，以及以“反应器”作为研究对象的客观事实。因此，从第7周进入反应工程实验室，分别接触到反应器流动性能测定，气固相催化反应，液固催化反应动力学测定等实验，由反应装置完成“邻二甲苯气相氧化制取邻苯二甲酸酐”、“以苯为原料，镍为催化剂在固定床反应器中合成环己烷”的合成实验，并由气相色谱法进行定性分析。通过实验，学生对基本的反应器及反应过程有了直观的认识。第10周开始，学生进行为期1周的企业见习，从实验室小试到企业放大，学生接触了更实际的从原料到产品的完整的化工生产过程。因此，从实验到见习的完美结合，使学生对反应设备的认识由小及大，由简单到复杂，树立了感性认识，激发了思考动力，提高了工程实践能力。

4以实验室为起点，参加化工设计大赛，增强学生工程应用能力