化學工程應用畢業論文

　　隨著科技負效應的顯現,工程倫理越來越受的人們的重視。化學工程有著與其他工程不同的特點。下面是小編為大家整理的，供大家參考。

　　篇一

　　《 化學工程中計算流體力學應用分析 》

　　摘要：計算流體力學是以多種計算方程為基礎，在多種化學反應裝置中進行能量、質量和動量的綜合計算，分析出不同守恆定律中，這些變數的主控形式和變化規律，從而優化工程設計和工藝裝置，提高化學反應中正向變化的進行，提高熱量交換和原材料的反應速率等。從化學工程經濟效益的角度分析，有利於工程成本的節約，提升了經濟回報。文章計算流體力學的基本原理進行分析，並總結了其砸你化學工程中攪拌、熱交換、精餾塔和化學反應工程的具體應用。

　　關鍵詞：計算流體力學;求解;基本原理;化學工程;應用

　　化學工程在我國具有較長的研究與應用歷程，並在實際的生產與生活中取得到巨大的應用成效，不僅能夠供給正常的生活需求，同時根據新材料的開發，能夠滿足現代型環保材料的使用。在化學工程中，較多的反映環境和反應機制都是在溶液中進行的，具有質量守恆和熱量守恆定律的應用。而這種質量與能量的關係正是計算流體力學的主要原理。通過對實際應用環境和原理的分析，能夠優化工程設計和工藝改進，提高化學工程的生產效率。

　　1計算流體力學在化學工程中的基本原理

　　計算流體力學簡稱CFD，是通過數值計算方法來求解化工中幾何形狀空間內的動量、熱量、質量方程等流動主控方程，從而發現化工領域中各種流體的流動現象和規律，其主要以化學方程式中的動量守恆定律、能量守恆定律及質量守恆方程為基礎。一般情況下，計算流體力學的數值計算方法主要包括數值差分法、數值有限元法及數值有限體積法，其也是一門多門學科交叉的科目，計算流體力學不僅要掌握流體力學的知識，也要掌握計算幾何學和數值分析等學科知識，其涉及面廣。

　　針對計算流體力學的真實模擬，其主要目的是對流體流動進行預測，以獲得流體流動的資訊，從而有效控制化工領域中的流體流動。隨著資訊科技的發展，市場上也出現了計算流體力學軟體，其具有對流場進行分析、計算、預測的功能，計算流體力學軟體操作簡單，介面直觀形象，有利於化學工程師對流體進行準確的計算。

　　2計算流體力學砸你化學工程中的實際應用

　　2.1在攪拌中的應用分析

　　在攪拌的化學反應中，反映介質之間的流動性比較複雜，依據傳統的計算形式根本無法解決，並在化學試劑在攪拌中存在不均勻擴散的特點，在湍流的形式中能量的分佈狀況也存在著空間特點。若是依據實驗手段測得反映中物質、能量和質量的變化規律，其得出的結構往往存在較差時效性，實驗騙差加大。

　　通過對二維計算流體力學的應用，能夠對攪拌中流體的形式進行模擬，並進行質量、能量等資料的驗證。但是流體的變化，不僅與化學試劑的濃度、減半速度有關，還與時間、容器的形狀等有著之間的聯絡，需要建立三維空間模擬形式進行計算流行力學。隨著科學技術和研究水平的提高，在通過藉助多普勒鐳射測速儀後，已經對三維計算形式有了較大的突破，這對於化工工程中原料的有效應用和工程成本的減低具有促進的作用，但是在三維計算流體力學中還存在一定的缺陷，需要在今後的研究中不斷的完善。

　　2.2CFD在化學工程換熱器中的應用分析

　　換熱器是化學工程中主要的應用裝置，通過管式等換熱器、板式換熱器、冷卻塔和再沸器等的應用，能夠有效的控制化學試劑在反應中的溫度變化。其中根據換熱器的形式不同，計算流體力學的方式也就不同。在管式換熱器中主要是通過流體湍流速度的改變，增加換熱速率的。在板式換熱器中是通過加大流體的接觸面積，提高換熱效率的。而在冷卻塔和再沸器中，熱量交換的形式更為複雜，但是卻群在重複性換熱的特點，增加了換熱的時間，提高了換熱的效果。從總體上分析，計算流量力學中，需要對溫度變化、流體的速度變化、熱交換面積變化和時間變化進行分析。通過CFD計算流體力學的應用，能夠計算出不同裝置的熱交換效果，並根據生產的實際需求進行換熱器的選擇使用。

　　2.3在精餾塔中的應用

　　CFD已成為研究精餾塔內氣液兩相流動和傳質的重要工具,通過CFD模擬可獲得塔內氣液兩相微觀的流動狀況。在板式塔板上的氣液傳質方面,Vi-tankar等應用低雷諾數的k-ε模型對鼓泡塔反應器的持液量和速度分佈進行了模擬,在塔氣相負荷、塔徑、塔高和氣液系統的引數大範圍變化的情況下,模擬結果和現實的資料能夠較好的吻合。

　　Vivek等以尤拉-尤拉方法為基礎,充分考慮了塔壁對塔內流體的影響,用CFD商用軟體FLUENT模擬計算了矩形鼓泡塔內氣液相的分散效能,以及氣泡數量、大小和氣相速度之間的關係,取得了很好的效果。在填料塔方面,Petre等建立了一種用塔內典型微型單元***REU***的流體力學性質來預測整塔的流體力學性質的方法,對每一個單元用FLUENT進行了模擬計算,發現塔內的主要能量損失來自於填料內的流體噴濺和流體與塔壁之間的碰撞,且用此方法預測了整塔的壓降。

　　Larachi等發現流體在REU的能量損失***包括流體在填料層與層之間碰撞、與填料壁的碰撞引起的能量損失等***以及流體返混現象是影響填料效率的主要因素,而它們都和填料的幾何性質相關,因此用CFD模擬計算了單相流在幾種形狀不同的填料中流動產生的壓降,為改進填料提供了理論依據。CFD模擬精餾塔內流體流動也存在一些不足,如CFD模擬規整填料塔內流體流動的結果與實驗值還有一定的偏差。這是由於對於許多問題所應用的數學模型還不夠精確,還需要加強流體力學的理論分析和實驗研究。

　　2.4CFD在化學反應工程中的應用研究

　　在化學反應工程中，反應物和生成物的化學反應速率與反應器、溫度和壓力等有著較大的聯絡，在實際的反應中可以利用計算流體力學進行資料的獲取。但是這資料的獲取具有一定的溫度限制，當反應中溫度過大，就會造成分子的劇烈運動，其運動軌跡的變化規律就會異常，在利用計算流體力學的模型計算中，計算資料與實際情況會發生較大的偏差。由於高溫中分子的運動軌跡和運動速度難以獲取，在計算流體力學的實際計算中，就要藉助FLUENT進行三維建型，並利用測速反應器進行速度的測量，通過綜合的比較分析，利用限元法進行資料的計算。可以得出不同環境下的反應器的流線、反應器內部的濃度梯度及溫度梯度。通過CFD軟體預測反應器的速度、溫度及壓力場，可以更進一步理解化學反應工程中的聚合過程，詳細、準確的資料可以優化化學反應中的操作引數。

　　3結束語

　　計算流體力學對於化學工程的應用具有實際意義，並在經濟效益的提高上具有重要的價值，在近幾年，化學工程技術人員不斷的計算流體力學中展開研究，以二維空間計算和模擬為基礎，不斷的完善三維空間的流量計算，並得出了一系列的流體流動規律。根據計算流體力學在化學工程中的廣泛應用，在今後的化學工程發展中，應加強此類學科的教學與延伸，提供出更有效的反應裝置和工藝操作。

　　參考文獻

　　[1]餘金偉,馮曉鋒.計算流體力學發展綜述[J].現代製造技術與裝備,2013***06***.

　　[2]舒長青,王友欣.計算流體力學在化學工程中的應用[J].化工管理,2014***06***.

　　篇二

　　《 能源化學工程專業化工熱力學教學思考 》

　　[摘要]《化工熱力學》是能源化學工程專業一門理論性和邏輯性較強的專業基礎課，文章闡述了作者在《化工熱力學》課程教學過程中如何提高學生對學習本課程興趣的教學實踐和教學體會。通過明確教學內容和教學主線，改變傳統的單一的課堂教學，將課堂教學與學科動態及工程實踐密切結合，激發學生學習興趣，培養學生自主學習能力和工程意識，以滿足培養能源化學工程領域領軍人物的要求。

　　[關鍵詞]化工熱力學;能源化學工程;教學實踐;教學體會

　　化工熱力學是化工類學生的專業必修課程之一，主要講述熱力學定律在化學工程領域的應用，包括化工過程中各種形式的能量之間相互轉換規律及過程趨近平衡的極限條件等。它是培養學生分析和解決實際化工問題思維方法的重要專業理論基礎課[1-3]。然而該課程的課程內容抽象、計算繁瑣，學生感到非常難學又缺乏實際應用，在課程學習過程中學生產生恐懼和厭學心理，達不到良好的教學效果，因此，我們對該課程的教學內容和教學方法進行一些改革和嘗試，希望激發學生學習的興趣，進而更好地掌握這門課程，為後續專業課程的學習夯實基礎。

　　武漢大學2013年新開設的能源化學工程專業是由1958年原武漢水利電力學院開辦的“電廠化學”專業發展而來，主要面向電力行業及高效潔淨能源領域***包括超臨界火電、核電、生物質能、氫能、新型化學電源等***，培養掌握化學與化工基礎理論及能源化學專業知識和技能的未來行業發展的領軍人物。

　　目前，本專業主要有水處理、材料腐蝕與防護、化學監督與控制、能源化學四個主要研究方向。為了適應學校對新專業發展和一流學科建設的要求，2015年在本專業大三學生中新增設了《化工熱力學》這門化工類專業的專業基礎課程。如何調動學生的課堂積極性，培養學生的創新能力，夯實學生的專業基礎，使他們在54學時的學習過程中理解並掌握本門課程的基本概念，並且將抽象的理論與實際的能源化學過程聯絡起來是本課程的核心教學任務。本文結合我校能源化學工程專業的培養目標，淺談《化工熱力學》的教學體會，著重對教學方式進行了探索和實踐，為培養能源化學工程領域的領軍人物奠定基礎。

　　1明確教學內容與課程主線

　　結合我校《化工熱力學》課程以工程應用為中心、專業研究方向覆蓋面廣等特點，我們選用了朱自強等編著、化學工業出版社出版的《化工熱力學》作為教材[4]，同時，也鼓勵學生使用部分參考教材***《化工熱力學》，馮新等編，2008;《化工熱力學***第二版***》，陳鍾秀等編，2000;《化工熱力學導論***原著第七版***》，J.M.史密斯等編，劉洪來等譯，2007***[5-7]。化工熱力學發展時間較長，已形成較完整的知識體系，如何在54學時內有效地把關鍵知識點教授給學生是本課程教學實踐的關鍵。

　　由於本專業學生在大二《物理化學》課程中已經系統學習了理想氣體相關的狀態方程及其應用，因此在本課程教學中不再贅述，而是重點介紹工程實際應用較多的二引數狀態方程、化工熱力學分析、溶液熱力學、流體相平衡和化學反應平衡等。在教學實踐中，首先，詳細分析《化工熱力學》教材結構，圍繞主線內容合理編排知識點;其次，建立好各知識點之間的邏輯關係，讓學生在大腦中建立化工熱力學框架圖;最後，根據能源化學工程專業的需要，適當刪減補充了教材內容，結合學科動態，增強化工熱力學的應用能力，如燃料電池開路電壓的計算、水/二氧化碳共電解制合成氣過程中氣體組成的計算等。

　　2改變單一課堂教學模式，培養學生自主學習能力

　　化工熱力學課程設計的公式多而繁雜，學生在開始學習階段容易產生恐懼厭學心理，傳統的單一課堂教學模式具有“教師主導學生學習”的特點，與本課程“教師引導學生學習”的教學目的存在較大偏差。因此，應改變傳統單一課堂講授模式，充分採用“啟發式”和“參與式”相結合的教學方法。

　　首先，教師在課前預習階段設疑***提出問題***，促使學生思考，複習舊知識，預習新知識;其次，教師在教學實踐過程中採用多媒體和板書相結合的教學方式解疑***解決問題***，並通過對例題和習題的講解加深學生對化工熱力學原理、方法和應用的理解，同時，教學過程中應避免陷於抽象的說教和枯燥的公式推導之中，重點講述化工熱力學知識點的應用條件和物理意義;最後，課堂教學結束後，教師主動與學生面對面交流答疑***探討問題***，並設定思考題讓學生查閱相關資料。通過“設疑—解疑—答疑”的漸進式教學方法達到對關鍵知識點舉一反三的目的，同時，吸引學生注意力，培養學生自主學習能力，提高學生學習的積極性和主動性。

　　3課堂教學與工程實踐密切結合，培養學生初步的工程觀點

　　化工熱力學由於理論性較強、基本概念多且抽象，而且本科生在學習過程中接觸科研課題及工程實踐的機會較少，將課堂教學內容與科研課題及工程實踐緊密結合起來，建立“以應用為中心”、“探究式”的特色教學模式，緊密聯絡我校在能源化學工程領域***特別是超臨界火電、核電、生物質能、氫能、新型化學電源等方面***開發利用的化學工程實際問題，把學科前沿領域的科研成果帶入課堂，可以使他們強化科研思想、激發聽課興趣、培養創新能力;同時，可以讓學生獲取利用化工熱力學基本原理解決工程實際問題提供思路和方法，培養學生初步的工程觀點。

　　4考核方式方法研究

　　傳統的期末一張考卷為準的考試方式不利於學生能力的培養，也不能全面地體現學生對所學知識的掌握程度，為了更加系統全面地評價學生對課程內容的認識情況，我們對課程的考核方式方法進行了改革探索。目前，課程成績總評包括平時成績和期末成績兩部分，其中平時成績包括學生的課堂綜合表現、課程預習、平時作業三個部分，各佔10%;期末考試採用開卷方式考試，考試的題目偏重於對知識點的理解和其在能源化學過程中的應用。然而由於該課程的課程內容抽象、計算繁瑣，教學過程中發現仍有部分學生存在畏懼厭學心理，因此，在今後的教學實踐中應考慮進一步激發學生的學習興趣，增強學生的主觀能動性，在課堂教學中引入分組討論，開展導向性的專題研究，將課程內容與能源化學過程***特別是學科動態***相結合，培養學生查閱資料和分工協作的能力，為學生下一步學習專業課程夯實基礎。

　　5結束語

　　在《化工熱力學》課程的教學實踐和嘗試中，首先要明確教學內容與主線，打破單一的學生被動聽講的模式，理論聯絡實際應用，調動學生學習的積極性和主動性，激發學生對教學內容的興趣，並且在教學的過程中對教學方法進行改革創新，因材施教，為學生下一步學習更專業的能源化學工程知識和從事新能源行業工作奠定紮實的基礎。

　　參考文獻

　　[1]陸小華，馮新，吉遠輝，等.迎接化工熱力學的第二個春天[J].化工高等教育，2008，3：19-21.

　　[2]樑浩，劉惠茹，王春花.《化工熱力學》教學實踐與嘗試[J].廣東化工，2010，37***1***：157-158.

　　[3]李興揚，唐定興，沈鳳翠，等.化工熱力學教學改革與體驗[J].化工高等教育，2011，3：71-73.

　　[4]朱自強，吳有庭.化工熱力學***第三版***[M].北京：化學工業出版社，2009.

　　[5]馮新，宣愛國，周彩榮，等.化工熱力學[M].北京：化學工業出版社，2008.

　　[6]陳鍾秀，顧飛燕，胡望明.化工熱力學***第二版***[M].北京：化學工業出版社，2000.

　　[7]史密斯JM，範內斯HC，阿博特MM，等編;劉洪來，陸小華，陳新志，等譯.化工熱力學導論***原著第七版******IntroductiontoChemicalEngineeringThermodynamics，SevenEdition***.北京：化學工業出版社，2007.

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