工程化學論文

　　在高校教學中如何提高教學水平,培養具有創新能力的應用型人才是工程化學教學改革的一項重要任務。下文是小編為大家蒐集整理的關於的內容，歡迎大家閱讀參考!

　　篇1

　　淺探化學工程學與化學工程教育

　　一、化學工程學及其與化學的關係

　　化學工程學是直接服務於化工生產及化工技術進步的一門近代工程科學。它誕生於20世紀初，已歷經近一百年的發展演變。從誕生至今，化學工程學一直與社會經濟中最活躍的泛化學工業密切聯絡，極大推進了人類社會的工業化程序。自20世紀第二次世界大戰後，銅、鐵、水泥、石油化工和高分子工業推動了世界經濟的振興，其後多晶矽、有機矽產業、生物化工產業和奈米材料合成技術持續支撐著世界科技和經濟的發展。即使是在後工業化社會的美國，泛化學工業仍是國民經濟的支柱產業。21世紀世界進入資源稀缺時代，經濟可持續發展的核心問題是資源高效利用、迴圈利用，能源優化利用和可再生能源開發，環境和生態汙染的源頭防治，這些過程產業化都是以化學工程學為中心學科才有可能發展起來。

　　化學與化學工程學雖然分屬於理科與工科，但卻是緊密相關的兩個學科。當代化學家研究原子或單個分子在反應中的細節，可以在化學鍵斷裂或成鍵的飛秒***10-15秒***量級內，對化學反應選擇性進行解釋和控制，研究分子間作用力，解釋物質的相態、效能變化和相互作用，可為化學工程師提供有關化學反應的機理性解釋。不僅如此，化學家已突破分子層次藩籬，向高分子、大分子組裝邁進，對資訊化學的探究也正向產業化延伸。化學工程學家研發大規模合成新物質的過程，對非線性、強耦合的多變數巨系統進行解析和優化設計與控制。當代化學工程學家需要了解物質微觀結構和合成反應的瞬態過程，從市場需求出發，設定即將開發產品的特性，根據物質結構與效能的關係，尋找合成的目標產物，使化工研究向更為機理與實用的雙方向延伸，將化學家的重要研究成果轉化為生產力。化學與化學工程學的貫通和相互作用是新時代的需要。化學與化工學科領域的交叉要求學生必須具有融合從分子水平的化學到大規模製備工程科學的寬闊視野和能力。

　　二、化學工程學的學科範式

　　對學科範式***Paradigm***的討論十分重要，它決定著學科的價值觀和內涵，關係到學科創新方向、新的生長點和交叉擴張，影響到學科的吸引力和生命力，關係到核心課程、輔助課程和延伸課程之間的配置，其內容深度、廣度以及它們的內在聯絡等，還會影響教學手段的組織和運用。

　　1.1915年，美國學者Little提出“單元操作”概念。1921年美國麻省理工學院***MIT***組建世界第一個化工系，決定把機械系的流體力學、傳熱學和化學系的熱力學、動力學、擴散、混合等核心內容加合，確立了“化工單元操作”課程的理論體系。從此化學知識向工程延伸得以完成，標誌著化學工程學科的誕生。這是化學工程學正規化的第一階段，可稱為單元操作階段。

　　2.1957年歐洲第一屆化學反應工程學會議界定了化學反應工程學的學科範疇、研究方法等，完成了化學工程科學向動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應工程即“三傳一反”的新正規化演變，為20世紀60—70年代石油化學工業的蓬勃發展奠定了基礎。可稱為化學工程學正規化的第二階段。

　　3.自20世紀中葉以來，化學工業規模迅速擴大，計算機技術的融入使多變數、強耦合的大系統分析在化工中大量使用，生物化工等學科邊界不斷擴充套件，孕育出多種具有突破意義的化學工程學新正規化。第三階段正規化有如下幾種不同表達方式：

　　***1***“產品工程”正規化：美國韋潛光教授提出第三階段正規化應跳出原有“過程工程”的藩籬，定義為“產品工程”，以產品效能和物質結構的關係及其產品設計和製造作為主要特徵。把“過程工程”與“產品工程”相結合，作為正規化似乎是更為全面的創新思路，但從形式上比較，與第一、第二階段正規化的延續性較差。

　　***2***“三傳一反+X”正規化：中國科學院院士郭慕孫教授建議保留新正規化與第一階段、第二階段正規化概念的延續性，提出第三階段正規化應是“三傳一反+X”，其中X是待定的、可變的和形成中的要素。

　　***3***“三傳三轉”正規化：清華大學根據化工的研究物件已涉及“物質-能量-資訊”三要素的相互作用，提出以“物質傳遞與轉化”，“能量傳遞與轉化”和“資訊傳遞與轉化”的“三傳三轉”為新正規化。物質傳遞包括分子擴散、湍流擴散及流體流動等過程，物質轉化包括分子水平的化學反應、超分子間結構的構造與轉化、生物分子的代謝與融合等過程。能量傳遞包括動能傳遞、熱能傳遞及各種形式能量***如光能、微波、超聲、等離子化等***的引入與輸出，能量轉化包括不同能量形式之間的轉化。資訊傳遞包括化工操作中多變數的資訊收集、篩選和剔除，資訊轉化包括各種物流引數的處理、優化、資訊反饋等。資訊傳遞與轉化同物質和能量傳遞與轉化的優化過程密切關聯。以“物質-能量-資訊”三要素相互作用為化學工程科學的基礎，是化學工程學區別於其他工程科學的本質特徵。

　　三、化學工程教育現狀

　　在明確了化學工程學的正規化以後，可以看出，化學工程教育能夠激勵學生們的事業心，因為化工是人們衣、食、住、行、視、聽、享受生活的各方面須臾不可離開的，是可以成就大事業、創造巨大財富的寬闊領域。化學工程教育也可滿足學生們的好奇心，對有志於學問的年輕人，可以介入最前沿學科，在生物化工、奈米化工技術、再生能源技術、新一代資訊材料、非平衡非線性巨系統的數學應用等科技領域有所作為。

　　德國化學工業協會***DECHEMA***對幾十個國家的大量化工專業人員調查統計顯示，美國認為學習化工有很高愉悅度的人佔95%，而在中國認為學習化工不愉悅的人卻高達33%。這一調查結果不能不引起我們的關注。由於多方面的原因，造成了不少中國家長和學生對化學工業等實體經濟領域認知的妖魔化和對虛體經濟的盲目追求，嚴重妨礙了最優素質的中學生進入這些領域。這種錯誤認識必須澄清，才能防止長此以往對我國經濟發展造成的負面影響。

　　同時，我們也注意到當前我國的化學工程教育呈現出與工程漸行漸遠的態勢。其根本原因有兩點：其一，教師工程背景削弱。大量青年博士和碩士進入教師隊伍，對提高教師隊伍的學術水平起了很好的作用。但是許多青年工科教師缺乏必要的工程實踐經驗，在SCI論文、引用因子等適用於理科的評價指標的指揮下，大量工科教師的科研選題容易偏向於基礎理論、偏向於軟課題，實踐性、工程性研究課題數量顯著下降，而他們的基礎性研究成果又難於找到工程應用轉化的機會。其二，工程教育體系弱化。由於實習經費、安全等原因，化工學科學生的工廠認識實習和生產實習越來越流於表面形式，有的甚至被大幅度壓縮或砍掉，促使“工程教育”與“工程實踐”漸行漸遠。急需建立一種機制，使這一現象得到實質改變。

　　四、以跨學科教育思維構建化學工程學科的教育體系

　　著名的哈佛大學一貫的教學理念是著力於培養引領世界、具有國際視野的各界領袖人物。但是在哈佛大學越來越有名氣的同時，校方卻感到他們的學生越來越失

　　去靈魂作用。其自省的結果是哈佛大學自從20世紀70年代起執行的核心課程制過於集中於學術專論，忽視現實問題，致使專業設定內容越來越趨向專門化，而大學畢業生面對的卻是要應對越來越寬泛、綜合、涉及多種領域的複雜的命題。前車之鑑，後車之緣。為了徹底扭轉我國當前化學工程 教育遠離工程、化工專業學生學習興趣低的現狀，我們主張在對人的培養理念上堅持“綜合性、選擇性、基礎性、靈活性”原則，在廣泛普及化學工程學科內涵及作用正確認識的基礎上，以跨學科教育思維構建新的化學工程學科教育體系，並給予足夠的政策保障。

　　當前振興化學工程教育的根本是扭轉中國 社會對化工的不正確認識，說明它的學科基礎是根植於化學、物理、生物的交叉部，研究涉及“物質一能量一資訊”這三個重要元素，它是在人類社會進入自然資源稀缺時代、面臨嚴重的可持續 發展問題時，對解決資源、能源、 環境問題有不可替代的作用，併為之可作出最大貢獻的學科之一。

　　愛因斯坦曾經說過：交叉組合作用似乎是創造性思維的本質特徵。通過跨學科的教學和科研模式，可打破學科間隔絕和壁壘，從不同學科視角，研究闡明某一課題的全貌，才能克服基礎知識與 實踐脫節的問題。特別是對於化學工程學科輻射到煉油、化工、冶金、建材、製藥、生物化工等許許多多工業領域，跨學科教育更有著關鍵的作用。

　　關於跨學科課程設定，密歇根大學曾提出以下形式：***1***合作課程：不同學科領域的教師共同選題、 組織和講授同一命題的不同側面;***2***整合講授：通過頂層策劃、協調不同的課程以相互貫通的思路分工講授;***3***協同式課程：兩門或以上的獨立但相關課程同步講授，不同視角，定期共同研討、整合、交流;***4***階梯式課程：深度不同，可能是相互為先導課程，可以分時段講授，達到整體躍升;***5***綜合式課程：設計可供有共同興趣的不同系、不同專業採用的選修課，也可通過研討式授課。使學生關注社會、國家和國際面臨的迫切課題，具有社會責任感，提高學生分析和論證實際問題及解決這些問題的能力。

　　借鑑國際做法並加以創新，清華大學化工系開設了一門面向全校學生的“資源·能源·環境·社會”選修課，由中國工程院院士金湧和荷蘭皇家科學院院士Arons共同主講，從社會科學、自然科學和工程科學等多學科出發，研究資源、能源、環境和社會發展等領域影響可持續發展的具體問題，探討化工與其他學科合作所可能提供的解決方案，既與現實社會問題密切相關，又有一定的基礎科學深度。一反傳統的“單學科理論演繹式”教育的模式，對學生進行“多學科問題分析式”的教育，關注學科之間的非線性強交聯，注重向學生展示基礎資料，培養獨立思考能力，分析和歸納出其中的問題並探討不同的解決途徑，而不是給出標準答案。將學生直接置於巨集大的科學、工程和社會發展的歷史長河中，直接感受一流工程科學家的眼界、胸襟與智慧，這對於學生樹立科學發展觀、培養化工志趣是非常重要的，也是解決前面的化工教育困境的有效方式。事實上，該課程的設立對於宣傳現代化工、促進學科交叉也起到了非常好的作用，其中近半數的學生來自除化工外的理、工、社科等多個專業，是學科交叉教育模式的一個嘗試。

　　21世紀世界進入資源、能源短缺的時代，社會 經濟的可持續發展，特別是我國提出轉變經濟發展模式，需要化學與化 工學科的發展才能解決由國家提出的節約資源對保護自然生態環境的任務。為此，化工教育首先要端正學生和家長對化工產生的片面認識。現代化學工程教育內容既應跨越和涵蓋整個化學和化工領域，融合從分子水平的化學到大規模製各工程科學的寬闊視野，也仍要重視工程教育的特徵，強化工程實踐環節;正確認識化學工程的學科範式和內涵，探討化工與其他學科的跨學科交叉，並落實到教學實踐中，培養學生解決複雜問題的能力，完成化學工程教育的歷史任務。

　　篇2

　　淺析微化學工程技術發展

　　1 微化工技術的概述

　　微化工技術的應用，實現了反應時間的大幅度縮短，從幾小時甚至幾十小時縮短至幾十秒，乃至幾秒，而且反應容器的體積也得以縮小成為以升或毫升為單位的容器。微化工技術自形成以來，到如今僅僅經過了20多年的發展階段，已經憑藉其特有的魅力讓我們對化工生產的前景充滿了希望。如利用可直接放大而且具有較高安全性，能夠比較容易控制反應過程的技術，改變化學工業汙染重、能耗高的傳統發展模式，實現綠色化工生產，提高化工生產的資源與能源利用的效率。化工過程中進行的化學反應往往會受到來自於傳遞速率或本徵反應動力學的控制或者處於兩者的共同控制下。

　　2 微化工系統的特點及優越性

　　2.1 有利於化學反應的精確控制

　　微反應技術的實現原理是對微管道中的連續流動反應的運用，從而準確控制物料在反應條件下的停留時間，而且這一方法的運用，明顯減少了反應物的所需用量，因此反應時間大幅度縮短，而且顯著提高了精度，從而能夠將因在過程的反應時間內所產生的副產品清除掉。檢測時間因微組合化學合成與分析系統的應用，將原來的2-3個小時縮短至不足一分鐘，而精度卻提高到仄摩爾***10-21mol***。

　　2.2 安全可靠

　　特徵尺寸與火焰傳播臨界直徑相比，相對要小一些，而且微通道具有很強的傳熱能力，從而為鏈式反應的順利進行提供了條件。同時，也有效地抑制自由基爆炸反應。由於微化工系統的換熱效率極高，再加上系統記憶體有能夠滯留的物料，即使發生了自由基爆炸的情況，所造成的後果也屬於可控範圍內，從而促使在過去於常規裝置內完成的具有較大危險的化學反應而不敢或不能進行的試驗，得以實現。

　　2.3 小試工藝不需中試可以直接放大

　　將微反應技術應用於生產時，工藝放大的實現可以運用增加微通道數量的方式，而不能選擇增加微通道特徵尺寸。這樣就有效減少了中間的試驗放大階段，提高了效率。由此可以看出小試工藝的突出優勢在於最佳反應條件可以直接進入生產而不需要提前對其作出任何改變，有效解決了過去需要將常規反應器放大的難題。

　　3 微反應器的研究與應用

　　3.1 微反應器的設計

　　微反應器作為一個微系統，其複雜性可見一斑，而且設計當中覆蓋了多個領域的知識，對知識的綜合運用提出了較高的要求。由此可以看出，微反應器的各部件與微通道的製作都必須以精密的設計與研究作為基礎和前提。微通道對於熱交換和傳遞都有著重大的影響，因此存在著複雜的關係。微通道的直徑數量級單位為微米，所以流體所在的容器為微米量級寬度的管道，一般情況下雷諾準數在幾十到幾百之間，粘滯力比慣性力大，流體為層流狀態。

　　3.2 微反應器適合的型別

　　根據相關研究表明，微反應器只能運用於30%的精細化領域的有機反應當中，實現收率、選擇性以及安全性等方面的提高。由此可以判斷出，微反應並不是能夠應用於所有型別的化學反應，其所具有的優勢可以在以下化學反應中得以體現。

　　3.2.1 放熱劇烈的反應。對於這類反應，運用常規反應器時，進料方式會選擇逐漸滴加。而即使採用逐漸滴加，也仍然會出現區域性瞬間過熱的現象，產生一定量的副產物。而微反應器的應用，則能夠及時將熱量匯出，從而精確控制反應溫度。

　　3.2.2 反應物或產物不穩定的反應。某些反應物或生成物具有很強的不穩定性，即使在反應器中做短暫的停留，也會分解而降低收率。而微反應器的原理是連續流動，從而對反應物的停留時間加以精確控制，從而防止出現類似於常規反應器中的由於反應物或生成物不穩定而分解的情況。

　　3.3 微反應器技術的應用

　　微反應器技術在發展的過程當中，主要的應用範圍是小試研究，應用的目的有改善工藝條件，實現催化劑篩選和反應動力學測定等。由於微反應器技術具有許多突出的優勢，而被越來越多的化工生產作為第一選擇物件。大量的歐洲公司和研究機構，特別是發展規模較大的化工和醫藥公司都在微反應器新生產工藝的開發與應用方面投入了大量的人力、物力和財力，而在我國該項技術還處於理論階段，還沒有關於工業應用的報道。

　　4 結束語

　　微化工技術發展至今，已經引起了國內外化工廠家或實驗室的廣泛關注，各國政府都先後制定了研究計劃。然而，在實際的化工生產過程中，其應用案例還為數不多，業界還處於觀望階段。因此，對微化工技術相關基礎的研究還需要不斷深化，以提高其利用率。

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