化学反应工程研究方法篇1
所谓多场分布，就是指发酵生物反应器中受到的多种物理因素影响，导致反应器内基质、产物等在浓度和温度上发生改变，从而对反应速率产生极大的影响，这些物理因素即为温度分布、速度分布和浓度分布。以发酵液中的反应为例，其反应的最终结果都与这些多场分布因素有关，如氧的传质速率、菌丝团以及菌体的内反应组分传质，还有固定化酶等等，都是主要的影响因素。在很多情况下，这些影响因素在影响反应过程的同时，还会起到主导反应的作用，即为发酵罐内反应的控制环节。所以，在发酵罐中的各项反应中，传递特性的作用十分关键，它的研究对于发酵罐内化学工程的研究来说具有良好的现实意义，并且为以后的发酵过程控制理论的完善奠定了基础。
2乙醇提纯工艺中所涉及的化学工程问题
乙醇提纯的主要工艺方法在进行乙醇的发酵工艺时，水是反应中必须要产生的物质之一，于是乙醇的提纯工艺就落到了水与乙醇的分离工艺上。基于化学原理上分析，这种提纯工艺可以采用精馏法，可以采用吸附法、共沸精馏、萃取精馏，也可以采用渗透气化膜分离法等等。一般来说，乙醇在发酵液中的质量分数在5%到12%之间，但是工业用乙醇的质量分数却在90%以上，那么这就给乙醇的提纯工艺提出了一定的挑战，采用传统的精馏方法已经无法满足工业的要求。由此，可以将发酵液中的乙醇混合物分两步进行提纯，首先，利用普通的精馏提纯方法得到质量分数为92.4%的乙醇，然后再利用萃取、共沸、吸附等精馏方法得到高纯度的工业乙醇。精馏这种乙醇提纯方法已经发展多年，其工艺与流程也比较成熟，然而在这种精馏过程中由于产生很高的热量，造成的能耗很高，并且在此过程中对于回流的要求也越来越高，大大增加了精馏成本。综上，在传统的乙醇提纯工艺上还具有很大的发展与创新空间，可以从设备配置、生产效率以及工程理论上进一步研究，得出更适合现代工业发展的有效方法。目前，这种工艺方法已经有所突破，如分类与反应过程耦合的方法，就是创新的代表。在燃料乙醇方面，乙醇的纯化可以采用的方法为多塔精馏，同时结合向乙醇混合液中增加原有体系分离因子的萃取精馏等，也可以利用膜蒸发分离的办法，其优点是降低能耗，避免污染环境。此外，吸附的办法在燃料乙醇纯化工艺中还没有很成熟的使用，需要进一步的探讨。现阶段，燃料乙醇生产工艺的研究，主要集中于单一操作过程，如吸附脱水共沸物、渗透蒸发、萃取精馏等，将这些单一过程组合研究的文章不多。实际的燃料乙醇纯化研究中，计算机仿真的应用开始不断增多，它在进行不同单元组合的反应规律研究上十分有利。此外人工智能方面在乙醇纯化工程模拟中也有很多的应用，对于条件限定后的每个单元操作以及分离流程耦合的筛选等都是工程模拟中的主要内容。由此可见，流程组合的研究已经上升到计算机时代，不再需要传统的凭经验进行流程与工艺的确定了。
3生物发酵反应与分离耦合反应
就目前的燃料乙醇工艺研究而言，主要为基础研究工作，如过程放大、生物反应与分析过程耦合、流程创新、工艺流程创新等。生物发酵反应与分离耦合。不是两者的简单结合，而是一种流程耦合，属于一种创新的技术和理论。如果化学反应结束后就可以直接得到产品，那么反应过程就是相应的过程，而在工程上所说的反应过程则是综合性的过程，包括方法、设备以及问题处理的过程。这其中形成了分离工程，利用能量与物质的传递、化学反应以及流体力学等相关知识，由此说明耦合问题可以进行，并且能够完成相关问题的解决，并且可以将生物发酵看作是耦合过程，用于提高发酵与分离效率，这种方法大大促进了燃料乙醇工艺的发展。它利用了工艺改善，采用了创新的方法，实现了工艺过程最优化，这是化学工程发展的最新契机，多场耦合的研究意义重大，为未来的发展与进步指明了方向。
4结语
化学反应工程研究方法篇2
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
化学反应工程研究方法篇3
超临界流体就是指在某一温度和压力下，处于液体到气体中间状态的流体。它的密度与液体密度相当，而粘度又和气体相似，其扩散的能力在液体和气体之间，大概相当于液体扩散能力的10-100倍。所以它既具有液体的高溶解能力，又能拥有气体的高扩散能力和压缩性。我们就利用超临界流体的这些特性，用于我们的化学生产。像这样的技术我们就把它称为超临界流体技术（SCF）。超临界流体技术一般是控制温度和压力的条件下，或者加入其他物资的情况下改变体系的传质系数、传热系数及化学反应特征的，这能更加高效清洁地进行化学生产，有的在超临界的状态下能节省能耗，所以超临界流体技术也被称为超级绿色化学技术。超临界液体技术（SCF）现在广泛应用到了材料制备中。早在上世纪九十年代该技术就已经开始应用，把二氧化碳制备成超临界的状态，以它为介质来制取特氟龙；还有聚丙烯工艺中也应用了SCF技术，利用丙烷的特点来做稀释剂，该技术也是做pe的升级版。当下，超临界流体技术则更多地应用在了高分子材料，复合材料，不易粉碎的无机物材料，以及提取不太容易溶解在单一超临界液体中的有机物。现在应用的超临界流体技术的方法主要有一下几种：1、快速膨胀法，该方法主要用于固体颗粒状的物质的制备；2、压缩抗溶剂发，主要用于制备微孔、微球类的物质，所以在药物分子及聚合物共沉上应用较多，也较成熟；3、抗溶剂法，通常该方法会应用在制备爆炸性物质和不溶于单一超临界流体的有机物上等。除了以上在制备材料方面的突出贡献，超临界流体技术还在分析化学中大展拳脚。它与色谱技术相结合，能在色谱研究中得到比气象色谱更高效，比液相色谱更精准的超临界流体色谱。更由于它的高效和低成本使得超临界流体技术在石油化工、环境保护还有医药化学等多个领域得到广泛使用。
2绿色化学反应技术的应用
绿色化学指用化学的技术和方法，再结合其他学科的知识来减少或者消除化学对于人类的危害、社会的危害以及环境的危害。从源头的原材料开始，到生产过程中的试剂和介质还有催化剂，到最后的产物及副产物都要求绿色、环保、无毒害，还有就是“原子经济性”的“零排放”。像在绿色无毒原料控制方面，石油化工原料就可以改变成生物原料的。制作尼龙可以不用含苯的石油化工原料，改成生物原料，生物原料的淀粉及纤维素等在酶催化反映下也能形成己二酸，这样一样可以制作尼龙，而且对人体和环境都危害极小。再比如在反应过程中对介质、溶剂等的控制，也要求无毒无害，在有机反应中水就是很好的溶剂，不仅对环境无害还能节省到有机反应中的官能团的保护还有去保护等环节，所以也省工艺省时间了。还有反应中用的绿色催化剂，绿色催化剂能更加正对性，更加高效地参与化学反应，并且得到的副产物少。在有机合成反应中，绿色催化剂的应用显得尤为重要。像不对称合成反应中，催化剂不仅为化学农药和精细化工提供反应需要的中间体，有的还能为反应提供绿色的合成技术。比如酶催化反应、氢酯化反应、还有不对称酮反应等。
3化学工程中的传热研究
化学反应中传热的研究是化学工程的重要内容，因为它严重影响着一个反应的能耗，反应的进程等。在微细尺度传热研究中，由于尺度微细，原有的传热假设及会发生变化，其流动还有传入的规律也会发生变化。目前在纳米、微米、集成电子设备还有微型热管领域中该传热研究交深入，取得了较不错的成果。而我们在改进传热工艺和设备上也做足了研究，为了提高传热效率，我们可以改进设备的性能，使其持续对外传热的能力提高，改变里面的传热材料和工艺的设计来实现传热的效率。然而我们现在投入很多精力的滴状冷凝技术的研究还没能取得很好的成果。由于我们不能在维持物质在滴状的时候冷凝，同时冷凝表面寿命延长,所以目前这个难题还很难突破。还有就是我们在计算沸腾时的传热存在很多弊端，复杂的沸腾状态不适用目前所有的传热计算方式，就研究沸腾传热的计算方法也是一大块难题的，所以就滴状传热技术的研究也将会是我们传热研究领域的一个重要课题，如果该研究获得进展必将改变现在很多的化学生产工艺形式，将会带领化学生产进入一个新的时代。
4结语
化学反应工程研究方法篇4
关键词：金属间化合物材料科学与工程实验教学研究应用
在材料科学与工程专业的本科教学工作中，本科生进入大三和大四的学习生活中，就要学习材料科学与工程专业的专业课程和专业基础课程。其中在材料科学与工程专业的课程教学中，在讲述材料的合成与制备方法，材料科学基础等课程中都将讲述过金属间化合物材料。金属间化合物材料已经作为金属材料教学研究中的重要内容。金属间化合物材料是指金属与金属间形成的金属互化物或者金属与非金属元素间形成的化合物。金属间化合物的种类比较多，而且一些常用的金属间化合物已经在工程领域得到应用。金属间化合物材料中所含元素都是普通元素，是金属合金材料，所以可以将金属间化合物材料的制备和性能的知识内容引入到材料科学与工程专业的课堂教学和实验教学中，可以作为本科学生的毕业设计和专业课程设计教学内容。
一、金属间化合物材料的概述和应用
金属间化合物是指以金属元素或类金属元素为主组成的二元或多元系合金中出现的中间相。金属间化合物主要指金属与金属间，金属与类金属之间按一定剂量比所形成的化合物，金属间化合物有的已是或将是重要的新型功能材料和结构材料。金属间化合物的历史由来已久，金属间化合物的研究已经成为材料科学研究的热点之一。人们发现许多金属间化合物的强度并不是随温度的升高而单调地下降，相反是先升高后降低。因为这一特性，掀起了新一轮金属间化合物的研究热潮，使金属间化合物具备了成为新型高温结构材料的基础。现在已研究出许多方法和措施，用来改善和提高金属间化合物的塑性，为将金属间化合物材料开发成为有实用价值的结构材料打下基础。金属间化合物是航空材料和高温结构材料领域内具有重要应用价值的新材料。金属间化合物强度高，抗氧化性能好和抗硫化腐蚀性能优良，优于不锈钢和钴基，镍基合金等传统的高温合金，而且具有较高的韧性，因此金属间化合物被公认为是航空材料和高温结构材料领域内具有重要应用价值的新材料。金属间化合物材料作为近20年内才发展起来的新材料，相对于传统金属材料具有特殊的优点和规律，广泛用于制备金属间化合物基复合材料。金属间化合物相对于金属材料为脆性材料，相对于其他材料则具有一定的韧性，并且具有相当高的塑性。某些金属间化合物还具有反常的强度-温度关系，在一定的温度范围内，强度随着温度的升高而升高，这对高温结构材料的开发和应用给予很大的希望。此外许多金属间化合物材料具有良好的抗氧化性能，耐腐蚀性能和耐磨损性能，如ni-al金属间化合物和Fe-al金属间化合物材料。因此采用金属间化合物和其他材料相复合制备复合材料可以提高金属间化合物材料的力学性能。
金属间化合物具有一系列的优异性能是最具有吸引力的新一代高温结构材料和表面涂层材料。金属间化合物的种类非常多，近年来国内外主要研究集中于ni-al金属间化合物，ti-al金属间化合物，Fe-al金属间化合物等含al金属间化合物的研究。目前金属间化合物材料已经研究和开发的较为广泛。许多金属间化合物材料已经用于铸造，锻压和高温熔炼等。金属间化合物材料具有高温强度好，高温抗蠕变性能强，抗腐蚀性能好，抗氧化性能好等优点，且在一定的温度范围内金属间化合物的屈服强度随着温度的升高而升高。但是金属间化合物材料作为使用的结构材料，还存在硬度低，断裂韧性差以及高温强度低等缺点。将金属间化合物与其他材料进行复合制备金属间化合物基复合材料，以制备出兼具有二者优点的复合材料是当前的重要研究和发展方向。金属间化合物材料具有较高的加工硬化率和较特殊的高温性能，因而被认为是下一代高温结构材料和高温耐磨损材料之一，特别是在改善金属间化合物材料的塑性后，更是受到了广泛的重视和研究。为了进一步提高金属间化合物材料的综合性能，很多研究工作者在金属间化合物材料中加入强化相制备金属间化合物复合材料，即形成金属间化合物基复合材料。可以向金属间化合物中加入碳化物硬质相制备耐磨损的金属间化合物基复合材料。金属间化合物材料具有许多优秀的性能而被广泛的应用到工程领域中。
二、金属间化合物在材料科学与工程专业教学实践中的研究和应用
金属间化合物材料由于具有许多优异的性能而被广泛的应用在工程领域中，所以应该在材料科学与工程专业的课堂教学和实践教学中增加一些金属间化合物的知识和内容。金属间化合物材料主要包括al系金属间化合物材料，主要有Fe-al金属间化合物，ni-al金属间化合物，ti-al金属间化合物等，还有其他的如Cu-al合金，Cu-Zn合金以及ni-ti合金体系等金属间化合物材料。由于一般常用的金属间化合物是由两种金属元素形成的化合物并具有典型的二元相图，所以可以通过认识和了解金属间化合物学习和掌握二元相图的知识内容。此外金属间化合物材料的制备工艺方法也有很多，主要有金属熔炼法，高温自蔓延反应合成法，机械合金化法，反应烧结法，粉末冶金工艺等多种方法。其中反应熔炼法是将不同种金属元素放到熔炼炉中进行熔化形成金属合金熔体使其均匀混合并冷却形成金属间化合物材料。高温自蔓延反应合成方法是通过反应放出大量的热量维持反应继续进行最终形成所需要的金属合金材料。机械合金化工艺过程是利用高能球磨机把两种纯金属粉末放入球磨罐中并加入适量的添加剂进行球磨，粉末的制备由机械合金化过程完成，块体的制备则由烧结过程实现，机械合金化工艺是一种固态反应的过程。机械合金化技术是近年来发展起来的一种材料制备方法，机械合金化工艺通过对粉末反复的破碎，焊合来达到合金化的目的，由于合金化过程中引入大量的应变，缺陷以及纳米级的微结构，机械合金化制备的材料具有一些与传统方法制备材料不同的特性。通过机械合金化工艺就可以制备出金属间化合物粉末。粉末冶金技术是制备金属间化合物材料比较常用的一种方法。以单质或合金粉末为原料，一般是先用塑性加工的方法把粉末制备成所需要的复合材料制件，然后在烧结同时实现了制件的成型。反应烧结法是将不同种金属元素粉末通过热压烧结工艺或者常压烧结工艺形成金属间化合物块体材料。金属间化合物材料的制备通常采用粉末冶金工艺进行制备。
由于金属间化合物材料原料成本较低，制备工艺不复杂，所以对于金属间化合物材料的制备和性能的研究工作可以引入到材料科学与工程专业的实验教学工作中。可以在实验教学的课程中增加金属间化合物材料的制备和性能的研究内容，例如通过反应熔炼法，机械合金化方法和粉末冶金法等制备金属间化合物材料，并对金属间化合物材料的结构和性能进行研究。通过以上实验教学过程可以锻炼学生的实践能力和分析能力，还可以加深学生对材料科学与工程专业知识内容的认识和了解。在上述实验方法中，其中机械合金化工艺是比较实用并且能够在实验室里进行的。机械合金化工艺是将两种不同的金属粉末混合并经过高能球磨过程制成金属间化合物粉末，并通过烧结过程制备金属间化合物块材。机械合金化工艺可以在实验室里进行，可以安排学生通过机械合金化工艺制备金属间化合物材料。此外在本科学生的专业课程设计和毕业设计期间也可以安排学生进行金属间化合物材料的制备和性能的研究工作。通过对金属间化合物材料的制备和性能的研究工作，使得学生充分的认识和了解金属间化合物材料的性能特点，并加深学生对所学习的材料科学与工程专业课程知识内容的认识和了解，使得学生对材料科学与工程专业的课程内容有一定的掌握和熟悉，并通过实验教学过程提高了学生的实践能力和分析问题解决问题的能力，扩展了学生的知识面。所以本文作者认为应该在材料科学与工程专业的实践教学过程中增加一些关于金属间化合物材料的实验课程，并以金属间化合物材料的制备和性能的研究内容作为实验教学课程，这将有助于提高学生的实践能力并扩展了学生的知识面，这为本科学生以后学习材料科学与工程专业的知识内容打下坚实的实验基础。
三、金属间化合物材料未来的研究方向和发展趋势
金属间化合物材料由于具有许多优异的性能而被广泛的应用在工程领域中。近年来金属间化合物材料发展迅速，一些常用的金属间化合物已经被应用到实际的工程领域中，还有些新型的金属间化合物正在研究和开发中，而且有些金属间化合物作为结构材料进行使用，还有些金属间化合物成为先进功能材料和具有特殊性能的新材料。所以金属间化合物材料的发展和应用前景比较广阔。所以本文作者认为应该在材料科学与工程专业的实践教学过程中增加一些关于金属间化合物材料的实验课程，并以金属间化合物材料的制备和性能的研究内容作为实验教学课程。通过实验课程教学可以提高本科学生对材料专业课程内容的认识和了解。
本文主要讲述金属间化合物材料的概述和应用，并讲述金属间化合物材料在材料科学与工程专业实验教学中的研究和应用，并介绍金属间化合物材料的未来发展趋势和方向。作者认为在材料科学与工程专业的实验教学中增加金属间化合物材料的制备和性能方面的实验课程，通过实验课程教学可以提高学生对材料科学与工程专业所学知识的认识和掌握。
参考文献
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化学反应工程研究方法篇5
关键词：高等物理化学；环境专业；教学内容；教学方法
浙江工商大学案例型《高等物理化学》课程改革研究（xgy12105）项目。
【中图分类号】G642
物理化学作为环境、化学、生物、化工、材料等专业本科生基础课，由于概念多、公式多，学生在学习过程中普遍感到抽象、难学和难理解，厌学倾向比较明显。然而，物理化学中的理论、方法和观念在培养学生创新能力方面又具备其他课程无法替代的作用。高等物理化学作为物理化学的延伸，是研究生阶段的核心基础课之一。因此，根据具体研究方向，改革教学方法，避免满堂灌输式的传统教学模式，重新点燃学生的学习兴趣，对培养研究生科研创新能力至关重要，是未来高等物理化学课程改革的必然出路。
一、我校环境专业研究方向与物理化学的联系
我校环境科学与工程专业具有一级学科硕士学位授予权，经过多年发展，已形成5个特色的学科方向：（1）废水处理与优化控制技术；（2）废物处置与资源化技术；（3）大气污染控制理论与技术；（4）环境功能材料与友好过程技术；（5）环境生物与生态修复技术。这些特色研究方向与物理化学有着非常紧密的联系，物理化学的理论和方法一直被运用到环境保护中。例如：（1）水处理过程、污泥消化处理、热污染控制等许多方面都涉及热化学模拟计算；（2）作为常用的高级氧化技术之一-电化学方法涉及电化学基本原理、内电解、电凝聚、电解氧化/还原及电渗析等物理化学知识；（3）环境功能催化材料涉及热力学和动力学等多方面的知识；（4）吸附剂、表面活性剂等污染修复方法与物理化学中胶体与界面部分密不可分。因此，针对研究生高等物理化学课程改革，必须考虑如何体现课程特色、以何种模式实现研究生科研活动中基础知识再认识以及创新性思维能力的提高等关键问题。
二、环境专业高等物理化学教学设计改革
1.教学内容改革
高等物理化学包括化学热力学、化学动力学、统计热力学、结构化学四大块内容。作为环境专业研究生的基础课程，各部分教学内容应注重突出特色，有所取舍，不能简单重复本科阶段的物理化学教学。针对本校环境专业研究方向和有限的课堂学时，笔者认为，选取化学变化的方向和限度问题、化学反应的速率和机理问题、催化剂结构与性能关系、电化学基本原理和应用作为核心教学内容，有利于吸引学生结合自己的研究课题进行深入的自主学习。
在理论教学的基础上，适当增加1-2个具体实验，通过实践教学深入、形象地理解环境净化技术应用时的物理化学基础知识。
2.教学方法改革
大量的实践表明：传统的以教师讲授为主的教学模式已经不能适应时代的发展，尤其是抽象性、概括性、逻辑性很强的高等物理化学教学。要培养研究生的科研创新能力，必须激发学生的自主学习热情。因此，改革教学方式，以学生为主体，教师讲授为辅，进行前沿引导式教学为现代高等物理化学教学改革点亮希望。
具体课程安排过程中，可按教师讲授（提出问题）学生互动（解决问题）教师总结点评（基本原理强化）顺序展开教学。改变传统的系统讲授为重点讲授，教师根据学科特色，有侧重地突出物理化学专业知识点的应用和前沿，设置课程研讨课题；学生根据兴趣自主选者课题，课后进行文献调研和归纳，并在课堂上展示学习心得；最后，教师根据学生自主学习情况进行点评，并提出改进的建议。此外，在课堂教学上，应经常以启发式的语言、事例来激励学生，引导他们积极主动进行学习。
三、物理化学教学改革初探
根据教学设计，笔者初步尝试了教师主讲3个专题，提供学生6个课题，辅助1个实验的教学模式。教师主讲内容包括：（1）物理化学在光催化环境净化技术中的应用；（2）物理化学在环境电化学技术中的应用；（3）物理化学中的胶体界面化学。提供学生选择自主学习的课题如下：（1）物理化学与环境保护；（2）光催化体系的反应机制及应用时的瓶颈突破；（3）电化学处理有毒难降解有机污染物的电子转移机理；（4）污水处理中的热力学过程；（5）吸附法处理环境污染物的动力学过程；（6）胶体表面/界面调控与环境污染治理。要求学生学会利用学校图书馆的webofScience和google学术搜索工具，查阅自选课题相关的文献，主要是主流top期刊的论文，在大量阅读文献的基础上，写出能体现课题核心内容和研究亮点的综述。经过这两阶段的学习，学生已基本具备文献查新、科学问题提炼的能力。最后笔者选取环境污染治理的新技术-太阳能光催化处理印染废水为辅助实践教学，通过改变反应条件，观察废水色度变化，既能给学生直观感受，又能通过后续的数据处理，让学生体会到物理化学基本理论的美妙。
本实验中主要涉及物理化学中的阿伦尼乌斯公式：
（1）
其中k为反应的速率常数，可以通过不同时间染料降解动力学进行拟合得到；a为反应的频率因子，对于确定的化学反应为一常数；ea为反应活化能；R为理想气体常量；t为热力学温度。通过对公式（1）进行对数转换，可以得到公式（2）：
（2）
通过测定不同温度下染料降解的速率常数k，可以利用公式（2）计算得到反应的活化能ea；进一步通过有无催化剂的对比实验，可以计算出染料降解反应中添加催化剂对ea的影响，预测反应过渡态的相关信息，直观而深刻地体会到物理化学基础知识点在实际环保技术中的应用，使理论与实践完美结合，激发学生在各自研究领域重新学习物理化学的兴趣。
四、结束语
总之，物理化学是一门基础理论性和实践性都很强的学科，加强物理化学知识的学习，特别是通过课程解析物理化学基本规律在现代环境保护研究前沿热点的作用，将会有助于我校环境专业研究生从分子本质上加深对本专业和研究方向的认识，促进研究生更快地实现从知识学习到科学研究的角色转变。
参考文献：
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化学反应工程研究方法篇6
【关键词】铜催化剂，乙烯氧氯化，动力学
abstract:withtheadjustmentofthenationalenergypolicy,ethyleneoxidechlorinemarketgotgreatdevelopment,buildabatchofdomesticethylenechlorideoxygendevice,withrawmaterialsbecomedominanttrendinrawmaterialroute,technologyinthepurification,synthesis,aspectsandsoonsavingenergyandreducingconsumptionhasagreatdevelopment,anddevelopitsowntechnology,singleseries,largescalewastheconsensusofall,thisarticlemainlyelaboratedonthecoppercatalystsofethyleneoxychlorinationreactionkineticsofaseriesofproblems.
keywords:coppercatalyst,ethyleneoxychlorination,dynamics
中图分类号：F407.45文献标识码：a文章编号：2095-2104(2013)
一.前言
随着石油化工的发展,氯乙烯的合成迅速转向以乙烯为原料的工艺路线.1940年,美国联合碳化物公司开发了二氯乙烷法.为了平衡氯气的利用,日本吴羽化学工业公司又开发了将乙炔法和二氯乙烷法联合生产氯乙烯的联合法.针对我国在铜催化剂上乙烯氧氯化反应动力学进行深入的研究和探讨。
二.生产方法
1.乙烯氧氯化法
现在工业生产氯乙烯的主要方法.分三步进行:第一步乙烯氯化生成二氯乙烷;第二步二氯乙烷热裂解为氯乙烯及氯化氢;第三步乙烯、氯化氢和氧发生氧氯化反应生成二氯乙烷.
（一）乙烯氯化.乙烯和氯加成反应在液相中进行:
CH2=CH2+Cl2CH2ClCH2Cl
采用三氯化铁或氯化铜等作催化剂,产品二氯乙烷为反应介质.反应热可通过冷却水或产品二氯乙烷汽化来移出.反应温度为40℃～110℃,压力为0.15mpa～0.30mpa,乙烯的转化率和选择性均在99%以上.
（二）二氯乙烷热裂解生成氯乙烯的反应式为:
ClCH2CH2ClCH2=CHCl+HCl
反应是强烈的吸热反应,在管式裂解炉中进行,反应温度为500℃～550℃,压力为0.6mpa～1.5mpa;控制二氯乙烷单程转化率为50%～70%,以抑制副反应的进行.
裂解产物进入淬冷塔,用循环的二氯乙烷冷却.产物温度冷却到50～150℃后,进入脱氯化氢塔.塔底为氯乙烯和二氯乙烷的混合物,通过氯乙烯精馏塔精馏,由塔顶获得高纯度氯乙烯,塔底重组分主要为未反应的粗二氯乙烷,经精馏除去不纯物后,仍作热裂解原料.
（三）氧氯化反应.以载在γ-氧化铝上的氯化铜为催化剂,以碱金属或碱土金属盐为助催化剂.主反应式为H2C=CH2+2HCL+o2ClCH2CH2Cl+H2o.
反应器有固定床和流化床两种形式,固定床常用列管式反应器,管内填充颗粒状催化剂,原料乙烯、氯化氢与空气自上而下通过催化剂床层,管间用加压热水作热载体,以移走反应热,并副产压力1mpa的蒸汽.固定床反应器温度较难控制,为使有较合理的温度分布,常采用大量惰性气体作稀释剂,或在催化剂中掺入固体物质.二氯乙烷的选择性可达98%以上.
在流化床反应器中进行乙烯氧氯化反应时,采用细颗粒催化剂,原料乙烯、氯化氢和空气分别由底部进入反应器,充分混合均匀后,通入催化剂层,并使催化剂处于流化状态,床内装有换热器,可有效地引出反应热.这种反应器反应温度均匀而易于控制,适宜于大规模生产,但反应器结构较复杂,催化剂磨损大.
由反应器出来的反应产物经水淬冷,再冷凝成液态粗二氯乙烷.冷凝器中未被冷凝的部分二氯乙烷及未转化的乙烯、惰性气体等经溶剂吸收等步骤回收其中二氯乙烷.所得粗二氯乙烷经精制后进入热解炉裂解.
乙烯氧氯化法的主要优点是利用二氯乙烷热裂解所产生的氯化氢作为氯化剂,从而使氯得到了完全利用.
2.气相催化脱氯化氢法
一般利用特定的催化剂在气相条件下催化脱氯化氢,温度控制在200℃左右,从而制得氯乙烯单体和氯化氢气体.主要反应的方程式为:ClCH2CH2ClCH2=CHCl+HCl.
三.铜催化剂上乙烯氧氯化反应过程
1.至今，人们对乙烯氧氯化反应：
的机理及其动力学的研究已很多，但在学术界仍未取得一致见解。早期曾有人提出Deacon反应机理，认为氯化氢先被氧化成氯气，然后与C2H4反应，但这种机理逐渐被后来的研究者所否定。在此基础上，后来的研究者提出了多种反应机理，大致可归纳为氧化一还原机理、氧乙烯机理、络合一氧化还原机理，并推得了相应的动力学方程式。但深人分析这3种机理及其方程式后，发现氧乙烯机理或络台一氧化还原机理的历程都表明只有在C2H4和o2或HCi同时存在下，才能生成eDC，而几乎所有的研究者(包括上述机理的作者)的试验都发现在新鲜CuC]／aJo催化剂上仅通CH．的条件下，就会产生eDC。作者们认为上述两机理尚不足以解释这一重要的试验现象。
另一方面，近期的动力学试验研究表明，本反应速率对关键组份乙烯的分压大于1．0级，而以前提出的反应历程所导出的动力学方程式却都显示出一个类似的特征，即反应与乙烯的分压成o—i-0级的关系，说明前人研究中所假定的反应历程具有一定的局限性。另外，前人的试验研究中原料气配比大多按反应的化学计量比，很少有人对日前工业实际反应配比的条件下的反应动力学做试验研究，尤其在接近工业反应器内反应气氛变化范围的条件下的动力学试验尚未有研究报道。
2.为了使反应历程更好地解释试验现象，并使导得的动力学方程式(理论)和经验速率方程(试验)更好地符台，作者们研究了前人提出的反应机理，并对催化剂做了化学状态(Cu2+，)剖析，证明乙烯氧氯化反应历程应包含氧化一还原过程。又根据许多研究者对该催化剂吸附性能的研究，认为该催化剂对HCi、C2H4和o2均有吸附，且吸附强度依次减弱，其中HCi与C2H4的吸附部位不同，o2还是解离吸附，而产物C2H4Ci2和H2o是不吸附的结论，本文提出了吸附一氧化还原机理。同时认为吸附态C2H4和催化剂上的CuCi结合生成活性的CuCl2一C2H4中间体才会反应产生eDC，具体历程如下：
式中是能吸附C2H4和o2的活性部位}是另一能吸附HC1的活性部位。显然，该反应历程能与仅通C2H4CH．的条件下就能生成eDC的试验现象相符。
根据这样的反应历程，采用催化剂理想表面模型，并利用平衡态近似法推得反应式(5)为速率控制步骤时的动力学方程式为
式(8)的机理方程式表明，乙烯氧氯化反应对乙烯的反应级数为0—2．0，对氧的级数小于0．5，而对氯化氢的级数为零。故由本文提出的反应历程导得的动力学方程已能解释经验速率方程中反应速率对乙烯分压大于1．0级的现象。
3.试验结果和讨论
对试验中所测得的各温度下反应速率
和原料气分压的关系数据，按式(8)进行marquardt法非线性拟合，得各温度下的k、B值列于表l。
将表l中的各值代人动力学方程式(8)中，求得诸试验点的计算值和试验测得的反应速率值比较如图1所示，两者吻合良好。在211—25l。c范围内，总平均相对误差不大于5．25％。这也进一步证明了所提出的乙烯氧氯
化反应历程是台理的。
此外，反应速率也用幂函数的试验式作了
关联，求得反应速率与C2H4、HC1、o2分压的
关系为：
可知，反应速率受乙烯分压的影响最大，o2次之，而HC1可被认为是无影响。该结果与由吸附一氧化还原机理所推得的机理动力学方程式相吻合，这也旁证了本文所假设的乙烯氧氯化反应历程是台理的。
同时得到了各温度下的反应速率常数值，取其对致与温度的倒数1／r描绘于图2。结果表明，在温度达233~(3左右，曲线出现了明显转折以前的同类研究也表明，“，该催化剂的生产厂家早期生产的催化剂也存在选一现象，但文献中未做任何解释。而对其他厂家生产的同类催化剂的对比研究却表明”，在211一251℃范围内，ink和1／r有很好的线性关系。
又从对该催化剂及其他厂家生产的同类催化剂的对比物性剖析”可知，该催化剂制成前的烘干温度相对较低，因而有可能导致在温度升到一定程度时，催化剂的表面结构会发生一定的变化，从而；f起活化能的变化。因此可初步确定．造成上述现象的原因是该催化剂的生产厂家在制备方法或化学组成上有所不同，
为此，为获得更准确而实用的动力学方程，将对211一231℃和24l一25l℃两个温度范围内的试验数据分开处理，最后得：在211一233℃范围内
式(10)计算值与试验值的总平均误差仅为
5.5％。
四.结束语
通过以上对在铜催化剂上乙烯氧氯化反应动力学进行研究我们可以知道，我们在对铜催化剂上乙烯氧氯化反应动力学过程和方法上还存在一定的不足，为了满足我国在这方面的各行所需，我们应该更加深入地研究和探讨，同时和国外一些先进的国家进行交流学习。
参考文献：
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[4]北京他工研究院．氧气法乙烯氧氯化制二氯乙烷本征动力学北京北京化工研究2012
化学反应工程研究方法篇7
关键词：微化工技术；过程强化；微反应器
中图分类号：tQ03
20世纪90年代初兴起了一种多学科交叉的科技前沿领域，这一领域就是微化工技术。微化工技术将化学化工原理和微机电系统结合，这种高新技术移植了微传感器制造技术和集成电路，涉及到的学科和技术十分广泛，包括化工、物理、化学、机械、控制学、电子和材料等。微化学工程研究的主要内容是几百毫秒和几百微米以内，并行分布系统和化工微设备设计、模拟、生成和应用过程中的特征和规律。微反应技术具有较强的传质和传热能力，能够大大提高能量和资源的利用率，提高单位体积的生产能力。因此，发展微化工技术具有重要意义。
1过程强化原理
化工过程中，本征反应动力学和传递速率各自控制或共同控制该过程中的化学反应。对于快速和瞬时反应，当该反应在传统设备中进行是，传递速率控制该反应，在微尺度反应系统中，由于传递速率提高了几个数量级，因此，反应速率也会得到大幅度的提高。对于慢反应而言，主要由本征反应动力学控制该过程，因此想要提高慢反应的反应速率，就必须提高本征反应速率，一般情况下，可以采用改变工艺操作条件和提高反应温度等方式来提高其反应速率。对于中速反应，由传递速率和本征反应动力学共同控制，可以采用提高慢反应速率的措施来强化该过程。目前，工业应用中的烃类硝化反应大部分都属于中慢速反应，可以采取提高反应温度和改变工艺条件两种方式加快这些反应的反应速度。综上所述，我们可以知道理论上任何反应都能够通过采取不同的措施进行强化。
2微化学工程与技术发展现状与趋势
20世纪50年代末，物理学家RichardFeynman指出，未来科学发展的方向是微型化。纵观半个多世纪的科学技术发展概况，我们可以看出微型化的确是科学技术发展的一个重要趋势，尤其是信息技术和微机电系统这两种技术，这两种技术已经应用到各个领域，对社会的发展产生了很大的影响。
20世纪80年代初，tuckerman和pease提出了“微通道散热器”概念，这一概念成功解决了大规模化和超大规模化集成电路散热困难问题。
1993年，Dupont公司应用微电子技术制造了首个芯片反应器，这反应器能够用来生产氰氢酸、异氰酸甲酯（miC）等有毒物质。
3国内研究工作进展
2000年，我国开始研究微化工技术，到目前为止，也取得了不少成果。经过十多年的发展，我国已经形成了一套完整的研发体系，为微化工系统的设计和工程放大奠定了良好的基础。
3.1微型氢源系统
作为未来电动汽车、潜艇的最佳候选电源，质子交换膜燃料电池在很多领域都广阔的应用前景。但是，质子交换膜燃料电池离技术商业化还有一定的距离，这是因为质子交换膜燃料电池的发展受许多因素的限制，其中，氢源技术就是影响其技术商业化的重要因素之一。这是因为氢气的分配、输送和储存困难，无法满足不同规模燃料电池的需求。而通过重整富氢燃料，比如醇类和烃类等，移动或现场制氢为燃料电池提供氢气，通过这种方式制取或运输氢源具有易于输送、能量密度大和能量转换效率高等优势，是提供燃料电池氢源最现实的途径。
大连化学物理研究所研究出了给千瓦级质子交换膜燃料电池提供氢源的微型氢源系统，该系统集成了微换热、甲醇氧化和原料汽化等子系统。该系统目前已经有产品应用与高校的教学中，我们可以设想不久的将来，该系统完全有可能应用到实际应用中。
3.2微混合技学术
很多的化工过程都是强放热快速反应过程，这些过程主要由传质和传热过程控制，微混合技术具有快速高效混合特性，采用这种特性，能够强化和微型化这些过程。大连化学物理研究所研究了单微通道内的传质、混合和流动等，多通道的多尺度结构和流体均布技术的设计，微混合系统的制造、封装和集成等。2007年9月研制出的微混合系统已经成功的投入到工业生产中，进行试运行。微混合系统具有混合、换热效果好、操作稳定等优势，同时其运行的噪音也非常小，还具有无振动等优点，这些优势都是传统工艺无法比拟的。该系统的成功应用，必将推动微化工技术在工业中的广泛应用。
3.3芳烃硝化反应
由于化学工业中的许多反应都是强放热过程，因此爆炸危险普遍存在，而且我国的装备和技术都比较落后，导致化学生产过程中安全性较差。
由于有机物硝化是一种快速强放热反应，因此，如果有机物硝化产生的热量不能够及时移出反应体系，则很容易引起爆炸，带来危险。以往硝化反应一般都在带冷却夹套的搅拌斧式反应器中进行，这种反应器的换热面积小，传热速率低，只能通过降低反应速率来避免因热量积累导致的危险，因此，传统硝化反应的反应时间长。
中国科学院大连化学物理研究所利用微反应器所具有的高效传热、传质能力，进行二硝基氯苯和二硝基甲苯的合成实验，硝化反应时间仅小于5s，可实现该反应过程强化和微型化。
3.4纳米材料合成
清华大学化学工程联合国家重点实验室借鉴膜乳化技术，按多个微通道串并原理，设计了膜分散式微结构混合器，开展了均相及非均相（液-液、气-液）体系的微尺度混合与分散、微尺度传质及微反应过程的应用基础研究。2005年成功开发了万吨级的膜分散微结构反应器制备单分散纳米碳酸钙的工业装置。
4结论
由于微化工技术的研究初期主要在高校和科研机构的实验室研究，产业界虽有关注但介入不多，因此对微化工系统的放大和集成技术的研究机会少，大大减缓了微反应技术的实用化进程。经过10多年的研发与宣传推广工作，目前微化工技术已处于应用前夜。国内开展微化工技术的研究时间短，若能在研究初期就与产业界合作，可以加速微化工技术的产业化进程，在过程放大和系统集成方面积累经验，形成具有自主知识产权的专利技术。
总而言之，新时期化学工业面临着前所未有的机遇和挑战，微化工技术的发展和应用将会降低能耗，提高化工设备性能，节约体积，将会给化工技术和设备制造领域带来很大的改变，还会对人们的生活带来很大的影响。
参考文献
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化学反应工程研究方法篇8
一、刺激一反应范式
刺激一反应范式以孔德的实证主义为哲学基础，主要体现在华生和斯金纳的行为主义心理学思想中。根据孔德实证主义的观点，科学研究的对象必须是可以直接观察和证实的。按照这一标准，心理学的对象只能是具有客观性的外显行为，因为它是可以直接观察和证实的，是在超时空的情况下可重复的。心理学的理论目标是对行为的描述、解释、预测和控制。华生批评机能主义是一种缺乏自信力、半心半意的想成为科学的企图。而以任何形式接受了意识的心理学研究都不可能成为一门科学。与华生激进立场相同，斯金纳主张物质一元论，认为意识并非一个独立存在的实体，心理过程可以还原为生理事件，心理学应研究可直接观察的行为。这样，刺激一反应范式便实现了心理学研究对象的变革。
在研究方法上，二人均致力于发展客观实证方法。华生确立了包括观察法、条件反射法、口头报告法、测验法在内的四种具体的客观方法，特别是从生理学家巴甫洛夫处学来的条件反射法，不仅应用于人类和动物的各种外显行为，而且被运用于婴儿情绪的条件反射研究，成为华生行为研究的客观性的重要保证。斯金纳则以操作主义作为行动纲领，反对对行为的生理解释及与之相随的心理变化，并亲自设计了斯金纳迷箱，用以操作自变量，排除无关刺激，以便客观地观察动物的行为变化。
在心理学知识的解释框架上，华生持有的乃是生理还原论观点。在他看来，心理学所研究的行为，不过是肌肉的收缩和腺体的分泌。S-R模式不仅可以用以解释各种行为，也可以解释思维、语言、人格及情绪等现象。斯金纳赞同培根与马赫的观点，反对任何形式的理论。因为在科学理论形成的过程中，不可避免地会出现影响客观性的事件，诸如偏见、错误观念和先人之见等影响研究的客观性的事件，因此，任何有关心理的假设，如弗洛伊德关于本我、自我、超我的人格结构;如意识、动机、情感、意志等，都是观察不到的“伪造的说明”，均不能为行为的解释增加任何新东西，均应加以拒斥。同样是将行为看作环境产物，但与华生不同的是，斯金纳将行为看作是有机体的主动适应过程，即主动的操作性行为。操作性行为遵循R-S模式，强化是操作性行为习得的关键。
总之，刺激一反应范式确立了机械主义世界观、坚持物质一元论、坚持客观主义、将行为作为心理学的研究对象并还原为刺激(S)与反应(R)之间的联结，致力于寻求S与R之间的外显函数关系，体现出了客观范式的基本特点，极大地推动了心理学的科学化进程。但彻底否定意识的做法，使心理学变成了“没有心理的心理学”;行为解释的S-R模式(R-S模式)也并不符合人类与动物行为的实际。如何使行为主义既符合客观主义的要求，又符合人类与动物行为的实际，成为客观范式的心理学p待解决的关键问题。在这种情况下，中介变量范式应运而生。
二、中介变量范式
中介变量范式继承并完善了刺激一反应范式的客观主义:客观研究对象、客观解释框架、客观实证方法。与刺激一反应范式不同的是，这一范式以逻辑实证主义为基础，在继续寻求刺激与反应之间的外显函数关系的同时，试图寻求刺激与反应之间的内部中介关系。
托尔曼通常被看作是中介行为主义者或温和行为主义者。同样是以行为作为研究对象，华生强调分子行为—肌肉的收缩与腺体的分泌，而托尔曼眼中的行为是整体行为，带有目的与认知这样的主观特性。对托尔曼来说，虽然目的和认知这样的术语带有主观性且内在于任何动物无法直接观察，但根据逻辑实证主义的间接证实原则，那些无法被直接观察的理论术语，如果可以通过引起它的原因和它所产生的结果推论出来，那么这些理论术语也是可以接受的。因而这些存在于S(自变量)-R(因变量)之间的一系列代表行为的目的性和认知性因素，即是“中介变量”。在研究方法上，他坚持以小白鼠为被试，认为这可以防止用人作为实验对象时产生间接内省。这样一来，通过对理论术语下操作定义，托尔曼重新把意识纳人心理学的研究范围但避免了主观性嫌疑。
与托尔曼一样，赫尔也注意到了刺激与反应之间存在着一系列中介因素。不过，也许是受益于他早年的工科学习，赫尔致力于发展一种严格的自然科学的客观心理学体系。这一体系最后共包括17条假设及133条公理，和用以证实这些假设与定理的大量事实。在赫尔看来，行为是有机体适应环境时做出的反应，有机体内在的生理性需要产生内驱力，因此内驱力本质上是介于环境刺激和反应之间的“中介变量”，也是有机体全部行为产生的动力。为更清楚地对“中介变量”客观化，赫尔提出了习惯强度、反应势能等可以数量化的概念。如某种行为再的可能性也可以得以公式表示为:Seii-SHitXD，反应势能是内驱力的数量(D)与习惯强度的函数。显然，赫尔的工作符合客观范式的理论旨向，假设演绎体系是这一理论的具体应用。好比“心理学届的牛顿”，赫尔的思想一度取得巨大的成功，以至于在20世纪50年代，数千篇博士或硕士学位论文以赫尔的某个假设或定理为基础。
作为对刺激一反应范式的继承与拓展，中介变量范式使得客观主义与操作主义得到了淋漓尽致的发挥，部分地解决了刺激一反应范式所面临的困境。但是，人终非动物，将人等同于动物并以动物研究的结果阐释人的行为的做法受到了越来越多的批评。随着逻辑实证主义逐渐衰落，加上将语言看作内隐行为的观点也受到挑战，20世纪五六十年代，信息加工范式应运而生。
三、信息加工范式
以刺激一反应范式为开端，中介变量范式加以拓展，客观范式的内涵与外延在发展中不断丰富，但它面临的问题却始终未曾妥善解决，那就是心理学如何获得客观知识而不丢弃带有主观性的内容。事实证明，将主观性彻底排除在心理学研究大门之外的刺激一反应范式及将中介因素客观化的中介变量范式均存在这样或那样的问题，总起来讲就是“牺牲了心理，成就了行为”。
伴随着计算机利1学的迅猛发展以及新三论的出现，信息加工范式得以产生，确立了认识的主动性、整体性和复杂性，认知过程被看作是信息从低级到高级的记忆、思维活动的不断流动，从而改变了传统上对人的心理的静态研究方式。
信息加工范式的发展经过了两个阶段。20世纪六七十年代占主流的认知主义，以及从80年代开始占主流的神经网络模型。认知主义又称符号加工理论，该理论以人机类比为基础，意图客观地揭示人类内在的心理机制，西蒙和纽厄尔是其主要代表人物。在他们看来，人类和计算机都可以看作是通用问题解决者，而任何问题解决的信息加工系统都具有输人、输出、存储、复制、建立结构以及条件性迁移六种基本功能，因而人类认知也可以看作是外界信息输人、存储和输出的加工过程。这也就意味着，心理学对认知过程的研究在某种程度上等同于计算机科学对计算机信息加工过程的研究。“图林测验”有力地佐证了这一观点。
认知主义的成功一度被看成是主流心理学的一场“革命”，它“促进了我们对心理本质与智力本质的理解”，其所揭示的科学奥秘的价值“与人类理解宇宙的发展，生命的起源或基本粒子的性质同价”。但认知主义人机类比的隐喻被证明并不能真正揭示人类认知的实质。瑟尔的“中国屋”实验证明，计算机虽然能够进行符号运算，但计算机的符号运算是在不懂得意义的情况下进行的规则运算，而不是在人类思维的水平上进行的意义运算。鉴于认知主义的这些问题，神经网络模型80年代开始逐渐占据上风。神经网络模型又称新联结主义，该模型假设在信息的输人和输出间存在着神经联结，这些神经联结形成一个复杂的网络模型。人类的认知不是简单的符号运算，而是神经网络结构整体活动的结果。正因为大脑的整体活动原则，因而在信息加工过程中，信息处理遵循并行加工或分布加工原理，而不是串行加工或程序加工，这就大大提升了信息加工的效率，同时也更加接近于人类认知过程的实际。
总之，信息加工范式以探究人类内在的心理机制为主要目标，实现了对中介变量范式的超越，同时也充分反映出当代科学在实验基础上高度综合的研究特征。然而，信息加工范式并非完美，它也面临一些无法解决的困难，譬如，如何理解共生主义取向强调的从日常的生活经验去理解认知?如何解决瑟尔“中国屋”实验提出的意义问题等。
四、认知神经范式
认知神经范式是客观范式的最新形式，它除了具备客观范式的基本特征之外，进一步从人的心理与行为的生理基础层面诊释了客观范式的内涵。这一范式借助认知科学和脑科学研究领域的先进技术，通过对残障者的认知过程的研究来寻求人类认知过程的生物基础，是随着认知神经心理学的兴起形成并不断完善的。认知神经心理学产生于20世纪认知神经科学兴起的大背景下，是认知心理学实验研究方法与人工智能研究手段在神经心理学领域应用的结果。目前已成为心理学研究的热点，吸引了大批神经科学家、生理学家和心理学家，代表着当代心理学研究的前沿。
化学反应工程研究方法篇9
关键词：非线性动力系统时滞系统鲁棒优化微生物发酵
中图分类号：tp13文献标识码：a文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0190-02
研究生物学系统的一种至关重要的方法是对生物过程进行动力学建模。建模方法可以用几个关键变量描述复杂的反应过程，将微观现象同宏观现象相联系，用来预测反应结果，也可用于检测出可能的、重要的但尚未知或被忽视的变量和参数，还可帮助搞清反应机理。这要求所建立的数学模型为一特定的需要服务，并且与实验结果相吻合。数学模型方法不能完全代替实验研究，但能减少实验次数或者改进实验技术。
时滞系统的优化与控制是寻找恰当的时滞量使得在满足一定的约束条件下，性能指标达到最优。近年来，关于时滞系统优化与控制研究成为优化和控制界的一个研究热点。目前关于非线性动力系统优化与控制的研究成果主要集中在无约束、无时滞条件下的研究，然而，约束条件（特别是状态约束）、时滞现象等广泛存在于实际工程问题中。已有的研究方法不适用于具有约束的、含有时滞的切换系统的优化和控制问题。从而引出了许多典型而又基础性的问题。
众所周知，石油价格不断升高，使生物基化学品的生产倍受国内外关注。1，3-丙二醇（简称1，3-pD）是重要的化工原料，主要用做聚酯、聚醚和聚氨酯的单体与溶剂、扰冻剂、保护剂等。早在1881年就有将甘油经微生物发酵转化为1，3-pD的论述，但没有引起人们的关注。目前工业上主要是用化学合成法生产1，3-pD，但是该方法需要高温、高压和昂贵的催化剂。由于微生物发酵法生产1，3-pD的低消费、高产量和无污染等特点，使得它越来越引起人们高度重视。
1发酵工艺
微生物法生产1，3-pD的数学研究大多针对3种不同的工艺生产过程：间歇发酵、连续发酵和批式流加发酵[1]。间歇发酵就是把微生物量和甘油按照一定的比例一次性地加入到反应器具中，一直等到底物的浓度趋于零为止。连续发酵是持续不断地以一定速率往反应器具里加入甘油，同时以一定速率从反应器具里取出已经生成好的产物，但在整个过程中必须保持反应器具中的总体积保持不变。批式流加发酵包括两个过程，一个是流加过程：甘油连续地加入到反应器具中去；另一个是间歇过程：停止甘油的加入；批式流加发酵就是在流加过程与间歇过程之间不断切换的过程，整个过程中反应器具中的液体都没有流出。
2发酵动力学
甘油歧化生产1，3-pD的过程动力学包括以下3个动力学：微生物自身生长动力学；底物消耗动力学；产物生成动力学。曾安平等人在1994年提出了一个过量动力学模型来刻画底物的消耗和胞外产物的生成。随后，为了更加逼真地刻画发酵过程的过渡响应，修志龙等人对曾安平1994年的模型进行了一定的程度的改进。为了刻画胞内物质浓度的变化情况，孙亚琴等人于2008年建立了间歇发酵的酶催化动力学模型和连续发酵的酶催化动力学模型。
3非线性时滞系统在微生物间歇发酵中的应用
在间歇发酵中，基于上述模型，研究者们对其发酵方式进行了广泛的研究。在实际的间歇发酵过程中，生物量和甘油是一起加入到发酵罐中，此刻反应并没有立刻发生，而是需要经历一些过程：（1）生物量和甘油需要充分混合，这需要花费一些时间；（2）甘油从细胞外被动扩散到细胞内也需要花费一些时间[2]。所以，在生物发酵过程中，时滞量是一个我们急切需要考虑的因素，它将在一定程度上影响动力学模型的精确性。刘重阳[3]建立了5维的时滞动力系统并优化了其中关键的参数；谢郡等人[4]提出生物鲁棒性定量的定义解决了判断半经验数学模型数值结果的正确性问题，为非线性时滞动力系统的状态变量测试不到实验数据而又要判断其在参数微少扰动下的波动大小提供了新途径。这个定义是从胞内物质相对偏差的期望角度来刻画的，当相对偏差的期望值比较小但方差相对比较大一些时，这不是我们想要的策略，我们想要的是相对偏差的期望和方差都相对比较小的策略。为此，谢郡等人[5]在基因调控对生物系统中，研究了带有一种新的生物鲁棒性和花费灵敏度约束的非线性时滞动力系统的鲁棒优化问题。这种新定义的生物鲁棒性不仅使得相对偏差的期望比较小，同时方差也比较小，正是我们想要的结果。袁金龙等人[6]建立了非线性切换时滞动力系统的切换时刻、系统参数和时滞量存在性理论和数值计算方法，克服了已有方法的局限性，为非线性切换时滞动力系统的优化提供了新途径。根据曾安平、修志和孙亚琴的模型，研究者们对连续发酵作了进一步的分析研究：文献[1]研究了带有离散时滞系统的振荡现象和5维时滞系统的霍普夫分岔现象；和依批式流加发酵为研究背景，刘重阳等人[3]将向反应器具中加入甘油看成一个连续的过程，建立并研究了切换系统的最优控制问题，同时他们给出了一些数学模型，例如，多阶段时滞系统、切换时滞系统，并且讨论最优控制问题的理论和算法。
上述的工作都是根据已知时间序列的开环输入的耦合式的发酵过程，也就是甘油和碱是在已知流加时刻序列的前提下来展开的，这种流加的策略没有考虑到反应器具中的溶液的pH值，在实际的发酵实验中很难实现对pH值的控制。为克服这种不足，叶剑雄等人研究了带有甘油开环控制和碱的pH逻辑控制的混杂动力系统的参数辨识问题，这项研究工作使得发酵系统的反馈控制成为了可能。
4结语
该文主要介绍了微生物发酵过程中间歇发酵工艺下的非线性、非光滑、且难以求得解析解的时滞动力系统及其当前的研究状况；用定量的鲁棒性定义来解决发酵机理不清的缺点；建立了此类含有连续与离散辨识变量、非线性时滞动力系统约束、以鲁棒性为性能指标的辨识模型与最优控制模型；给出了这类模型的数值计算方法及并行优化算法。与该文有关的详细内容见文献[1，3]。
⒖嘉南
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化学反应工程研究方法篇10
1动载荷反演分析理论研究
20世纪70年代以来，广大学者在动载荷反演分析技术方面倾注了大量的心血，做出了卓有成效的工作，Stevens［1］、Dobson和Rider［2］、Hirotsuguin-noue等［3］、nordstron和nordberg［4］、许锋等［5］，对动载荷反演分析技术不同发展阶段进行了总结．动载荷反演分析理论，广义上可以分为频域法和时域法，从研究工况上可以划分为三类:一是载荷作用位置和载荷历程均未知，确定载荷作用位置和时间历程;二是载荷作用位置已知，确定动载荷作用时间历程或频域信息;最后是移动载荷反演，若载荷移动速度已知，隐含了已知的作用位置信息，可以归为第二类．下面详细阐述动载荷反演分析理论的发展历程．
1．1频域研究进展动载荷反演分析频域法是发展较早、比较成熟的反演分析方法．频域法分析的基本思想，将动力学系统在时域内输入与输出的卷积关系，转化为频域内输入与输出的乘积关系，在频域内建立系统的频率响应函数模型，再通过系统的输出估计系统输入．常用的频域直接求逆法的过程为，假定要反演的载荷数目为ni，实测响应数目为n0，则在频域内，要反演的输入动载荷F(ω)与测量的输出响应X(ω)之间满足另外，结构动力学响应分析常用的模态坐标转换法［6－9］，也应用到动载荷反演频域分析中，在通过理论计算或模态试验方法获得结构模态参数的情况下，通过模态坐标转换得到频域下的输入载荷．在频域内，响应X(ω)在模态坐标和物理坐标下满足关系二十世纪七十年代末，Barlett和Flannelly采用频域法用加速度响应识别了直升机主轴的动态载荷［10］．1982年，Giansante等用上述方法识别出了aH－1G直升机飞行时主轴和尾桨所受的外载荷，解决了该理论在实际应用中的非线性问题［11］．1984年，ewins等通过测量结构动应变，在频域内重构了作用于复杂压缩机叶片上的动载荷，对响应选取及对识别精度的影响进行了讨论，提高了低频段动载荷反演精度［12］．J．a．Fabunmi讨论了结构动载荷反演中模型约束问题等因素对反演结果的影响［13］．n．okubo等用频响函数直接求逆法研究了三种不同实际结构(车床、汽车发动机和空调)的动载荷反演问题［14］．1984年，李万春等在频域内对武装直升机模型的载荷六要素进行反演，并在结构轻度非线性方面给出修正方案［15］．1987年，Stevens详细探讨了动载荷反演问题的发展前景及面临的困难，指出测量噪声、在固有频率附近频响函数的病态和频响函数的测量误差是动载荷反演分析技术发展不快的主要原因;同时，指出测量响应的数目超过待反演载荷数目在一定程度上能减轻频响函数病态和测量噪声产生的误差，频响函数矩阵的条件数、模态分辨率矩阵、数据分辨率矩阵是评价反演结果好坏的一种尺度［1］．随后针对动载荷反演频域分析法的研究，许多学者分析了频响函数矩阵的计算特性，发现在共振频率附近频响函数的条件数较大，直接用(2)或(3)式进行动载荷反演求解，得到的解是不稳定的［1，16］．针对这种现象，一些数学物理反演问题求解理论［17－20］应用于动载荷反演频域分析，将(2)式的求解形式修正为阻尼最小二乘的正则化求解形式，λ是正则参数，L是微分算子，一般情况下取单位矩阵．LiuYi等针对共振频率处频响函数矩阵求逆的不稳定性，以及测量噪声和频响函数矩阵含有测量噪声等问题，建立了基于(7)式的动载荷反演频域求解模型，并提出了基于morozov广义偏差原理的正则化参数选取方法［21］，选择正则参数．对于随机动态载荷的反演，常用(3)式输入载荷谱的形式进行求解;近年来，根据林家浩教授提出的结构动力学正问题求解的虚拟激励法［22－24］，林家浩、智浩、郭杏林等又发展了随机动态载荷反演的拟虚拟激励法［25－29］，郭杏林等对逆虚拟激励法开展了试验研究［30－31］，李东升等针对逆虚拟激励法在动载荷反演中，共振频率附近频响函数矩阵秩亏现象，提出了动载荷功率谱反演的广义小量分解法［32］，其解的形式与方程(7)类似．至此，动载荷反演频域法研究，已经从理论上解决了在共振频率附近频响函数矩阵为病态，动载荷反演结果不稳定的问题．总的来说，动载荷反演频域分析方法，动态标定简单、便于实现，特别适合于稳态动载荷反演;而对一些短样本的冲击类型动载荷反演存在一定的局限性，这是由于频域分析法要保证频域内有足够的频率分辨率，要求采样数据具有足够的长度，而这类载荷提供的采样数据往往有限;另外，在反演精度方面，频域反演法中模态参数的确定和高阶模态参数的截断也会带来反演误差;另外，频域内反演结果不直观，难以做到实时反演，因此，近年来许多学者由频域法研究转向时域研究．
1．2时域研究进展与频域动载荷反演分析技术研究相比，时域法研究相对较晚，但时域反演结果直观、便于应用，对非平稳载荷、瞬态冲击类型载荷反演具有一定的工程应用价值，受到工程界的青睐，发展至今逐渐形成了以Duhamel积分离散展开为基础的动载荷反演模型［33－45］、基于状态空间形式的动载荷反演析模型［46－59］，另外，函数空间展开逼近方法［60－72］、和现代智能算法［73－76］等，在动载荷反演问题中也有广泛应用，下面对这些方法进行评述．动载荷反演进入时域研究初期，大多是以Du-hamel积分离散展开为基础，建立动载荷反演分析模型，它是建立在求解Volterra第一类积分方程的理论基础之上，下面简述已知位移反演动态输入载荷的计算过程．线性时不变系统的结构动力学方程可写为始条件qr(t0)、qr(t0)，并利用(10)至(11c)式可以求得广义力Qr(tj)，不断重复这一过程可以得到Qr(t)的时间序列．同理，利用广义速度、广义加速度，或三者的混合形式都可得到积分间隔内阶跃载荷的求解形式．针对积分时间间隔内载荷线性变化形式，张运良等推导了基于Duhamel形式的动载荷反演求解公式［40－41］．随着动载荷反演时域分析技术的深入研究，许多学者发现，这种递推迭代格式的动载荷反演分析方法，对初始条件敏感，随着积分步数的增加，存在误差累积．文献［36－38］将动力学求解方程，写为脉冲响应函数与输入动态载荷的卷积形式，建立动载荷的反演求解方程，并引入正则化求解来抑制测量噪声引起的干扰［39］．随着系统辨识技术、控制理论的发展，结构动力学方程的状态空间求解方法也发展起来，在状态空间建立动载荷反演分析模型，也引起了广大学者的兴趣．方程(8)所示的结构动力学方程，可写为如下所示的状态空间形式()+定义为矩阵伪逆，这就是基于逆结构滤波器(inverseStructuralFilter，iSF)载荷识别方程，从形式上建立了测量响应与输入载荷之间的递推求解格式，但矩阵a^往往是数值不稳定的，Steltzner和Kammer并没有直接使用(18a)式来反演输入动态载荷，而是利用(18a)建立了markov参数的计算格式，进而反演输入动态载荷［50］．为解决矩阵a^的数值不稳定，allen等对iSF进行改进，提出了DmiSF(Delayedmulti－stepiSF)［51］;Law等提出了状态空间形式的移动载荷识别方法，并利用动态规划法解决反演结果扰动过大的问题［52］;随后正则化技术、灵敏度分析法等优化求解方法，也应用于状态空间形式的动态载荷反演分析，进一步解决反演结果扰动太大的问题［53－56］．基于函数逼近的动态载荷反演分析，即将输入动态载荷表示为一系列函数或参数的形式，通过确定这些函数或参数，进而确定输入动态载荷［57－66］．最常见的是将结构输入动态载荷，时域上在傅立叶空间展开、空间域上在模态空间展开，通过确定傅立叶级数、或模态空间的系数，进而确定输入动态载荷［57－59］．然而，傅立叶空间展开存在高频截断，模态空间是整个结构全局的空间函数，反映的是整个结构的振动特性，输入载荷往往处于结构的局部位置，并且模态空间函数在结构约束边界处往往为零，这样使得动载荷在模态空间展开具有一定的局限性．Jiang等针对模态函数在结构约束边界为零的现象，将空间分布载荷在Legendre多项式空间展开，并成功应用于euler梁上空间分布动态载荷［60］和作用于薄板上的空间分布载荷［61］．Liu等针对模态空间展开分布动态载荷的局限性，提出了一种改进的空间分布动态载荷反演方法，将空间局部位置的输入载荷表示为一系列空间正交基函数的形式，通过重构函数系数来确定空间分布动态载荷，并引入正则化技术来解决动载荷反演问题的病态特性［62］．张方等将空间分布动态载荷表示为广义多项式的形式，成功重构空间分布动态载荷［63］．另外，还有学者在时间域上，将输入动态载荷表示为基函数的形式，通过重构基函数的系数进而确定输入动态载荷［64－65］．随着数值仿真技术的发展，一些智能算法如遗传算法、神经网络、蚁群算法等逐渐发展起来，并应用到动载荷反演分析，丰富了输入动态载荷反演分析的求解方法［66］．
2动载荷反演分析技术工程应用及研究难点
动载荷反演分析问题，在理论方面已有许多研究成果，在实际工程中也有一些尝试性地应用［67］，但总的来说动载荷反演分析技术工程应用还不充分，目前还没有形成像结构动力学正问题分析一样被广泛应用的分析工具，为使动载荷反演分析技术在实际工程中得到充分应用，仍有一些难点问题值得我们努力．(1)建立考虑模型误差的动载荷反演分析理论．动载荷反演问题是继系统辨识技术之后，发展起来的结构动力学第二类反演问题．当前的动载荷反演分析理论，大多是建立在系统辨识模型具有较好精度的前提下，讨论测量响应误差，对动载荷反演分析结果的影响．在数值仿真过程中，这种影响可以完全忽略，但要应用于实际工程，不可避免地会碰到系统模型与实际工程存在差异的问题，特别是对一些复杂系统，这种问题会表现地更为突出．(2)发展结构与载荷互相耦合的非线性系统动载荷反演分析技术．当前的动载荷反演分析理论，大多是在线性系统的基础上发展起来的，在实际工程中许多结构系统是非线性的，甚至是与输入动载荷产生耦合．(3)发展在线实时反演技术．动载荷反演分析技术，除了为结构优化设计和结构疲劳寿命评估，提供有效地输入依据外，还可更好地为服务于结构系统实时辨识、结构健康监测、动力学控制等，而在线实时动载荷反演分析技术就显得尤为重要．(4)建立有效地动载荷反演分析结果评估准则．与数值仿真模型相比，在实际工程中，响应测点的数目是有限的，信息缺失造成的不适定问题会更为突出，对通过少量的测量响应反演得到的输入载荷进行正确地评估，也是动载荷反演分析过程中值得关注的研究内容．
3小结