化工热力学论文范文

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2注重章节横向联系、提炼章节要点

化工热力学内容较多，而教学时间有限，这就要求教师要打破传统的授课体系，注重各章节知识的横向联系，深入对教学内容加以研究，挖掘教学内容深层次内涵，将书本上的内容提炼出来讲给学生听。比如在讲述偏离函数的时候，要把偏离函数和状态方程以及对比态原理、常用热力学基础数据结合起来，推导合适状态方程下的偏离函数，并求取常数值，指导和鼓励学生们用临界温度和临界压力，对比温度和对比压力，偏心因子和基础数据估算热力学过程。这样整个课程通过偏离函数就可以形成有机统一。对于课程中的封闭系统和敞开系统，同学们在物理化学中并没有太多深刻认识，在课堂上我抛出化工工艺学中的氨合成，这样的问题使同学们感受到课程间的相互衔接。对于氨的合成，同学们都知道N2+3H2→2NH3，在反应平衡之前，组成都在发生变化，在反应之前和反应平衡之后，组成都是不变的，这几个状态下系统的研究和学习，有助于同学们对化学反应的整个过程的热力学性质的计算，包括均相封闭系统和均相敞开系统的联系与区别。

3多媒体教学和互动教学结合

多媒体教学是现代化教学手段，灵活有效使用多媒体教学可以使抽象的概念具体化，提高教学的有效性，在教学过程中，由于教学内容过多，如果采取大量板书教学，势必会影响教学进度，同时该门课程要向同学们展示大量化工设备图片，必须要采用多媒体教学。大学教学必须要师生互动，而师生互动教学的关键在于教师的提问，所以要设计多层次多方面适合教学内容的问题，问题设计有难有易，可以促进整个班上不同层次的学生的思考，问题都设计的简单，学的较好的同学就会无所事事，问题都设计的难，跟不上节奏的学生会一脸茫然失去学习兴趣，好的问题可以帮助同学们从多层次多角度思考问题，化工热力学的精髓实际就是能量利用和节能减排的时候，同学们对于能量利用还有基本的认识，因为在物理化学里面就谈到了反应的方向和限度。但是对于节能减排，却没有深刻认识。结合国家目前大力致力于关转停高耗能和高污染企业，并提倡绿色工业和绿色居住，同学们了解到能量利用和节能减排已经上升到国家战略高度。对于能量利用，要有实例，比如向大家介绍1摩尔水在气化完之后是水在液态的时候体积的1603倍，而体积增大正好做工，正是因为如此，蒸汽机才能带动火车，实现第一次工业革命。基于此，激发同学们想到汽油作为工质做工，让汽车跑的更快，让飞机飞的更远，让轮船遨游大洋。举一反三，这些都是同学们在日常生活中时时碰到，原来能量利用是如此重要。正是因为能源的普遍利用，国内自然环境正经历伦敦雾都在第一次工业革命的阵痛，节能减排和能量合理利用就尤为重要。

谈节能减排和能量合理利用很重要，这是同学们必须要慢慢接受的观点，要深入大脑，案例很重要。比如说煤矿的使用带来了大量粉尘和大量排放和地质危害，所以国内正在大力开发煤制油的技术以及更清洁的原料天然气。而石油的地下存量已经在减少，大庆油田已经进入老年，这也告诉同学们石油和煤矿，天然气这些能源都是不可再生，总有用完的一天，同时这些不可再生的能源都有一个害处，就是燃烧之后有二氧化碳和一氧化碳的排放，都臭氧层有很大的破坏，地球的温度在上升。那么有没有什么好的替代能源呢，同学们普遍感兴趣，而且也是科技工作者共同的难题。这个时候我会在适当时候抛出水制氢这样一个最简单的课题，作为老师是知道现在很多研究小组都在研究水制氢的课题，也是科技界的热点和难点。但是对于同学们而言，同学们会认为这是一个多么简单的问题，只要电解就可以实现。

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如何激励研究生的创新意识，锻炼和培养研究生的创新和研究能力，是研究生教育改革的重要课题之一。当前，传统的接受式教学模式面临巨大的挑战，这种教学方式的特点是：教师在讲台上讲授，学生在台下做笔记，学生被动地接受知识，这种传统的单向灌输式教学方式，无法调动学生学习的积极性和主动性，学生往往在没有压力的状态中学习，教学效果不佳。本科生相比，研究生身心已较为成熟，思维活跃、求知欲望和实践意向都较为强烈，若还是采用传统的灌输式教学，注重结论和公式的推导，而这些结论和公式到底有何作用，学生常常并不清楚，学习积极性不高，教学效果事倍功半。学生缺乏研究创新，不能很好地解决实际问题，是传统教学模式最大弊端，有的研究生在进入论文阶段后不清楚科研论文如何写作，对科学问题的敏感性不强，将文献的阅读变成简单的课程学习，科研能力、创新能力都不强，专业课程内容呈老化，教学特点日益淡化，甚至浪费了课程学习阶段，因此，有必要对研究生的课程，尤其是专业课程的教学方法和教学理念进行改革，引进国内外先进的教学方法和教学理论，提高研究生的科研能力和创新能力。

研究性教学模式是在综合美国布鲁纳的“发现学习模式”和瑞士皮亚杰的“认知发展学说”基础上构建的教学模式，主要强调它在与工程实践结合较紧密的专业课程中的应用，是一种培养创造性人才的新途径。因为学生学习的过程与科学家的研究过程在本质上是一致的，因此学生应像“科学家”一样，以主人公的身份去发现问题、分析问题、解决问题，并在探究过程中获取知识、发展技能、培养能力，特别是培养创新能力，发展自己的个性。研究性教学将科学研究的思想和过程融入课堂教学中，鼓励和带领学生从课本固有知识框架中走出来，勇敢且智慧地去发现未知，帮助学生形成自己对某一事物的分析路径和独特观点。

《高等工程热力学》是动力机械、制冷与低温工程、工程热物理、化工等与能源相关专业研究生的重点基础课程，其理论对高效利用能源、节约能源以及开发新能源有重要的指导意义。其主要教学内容包括热力学理论基础、流体工质的热力性质计算、多组分系统热力学和相平衡、管内气体流动热力学。其教学目的是让学生更深刻地理解热力学三大定律，以及用热力学知识去解决问题的方法。从以往的教学情况看，学生普遍反映理论较难理解，课程实用性不强，学习兴趣不高。针对这种情况，笔者结合研究型教学的特点进行以下方面的尝试。

一、改变教学手段，传统教学模式和课堂讨论式教学相结合

《高等工程热力学》是本学院研究生的专业基础课程，一些必要的理论和方法需要通过传统教学模式教授给学生。在讲授过程中，针对以往学生提出的实用性不强的问题，在讲解某一理论的时候，更侧重该理论及方法的应用背景，让学生在结合使用背景去理解理论知识，达到事半功倍的效果。课堂讨论则是研究型教学的一种方法，研究导向的教学模式侧重于营造情境，提出问题，引导学生独立思考，形成自己的观点，而不在于给学生提供权威性的标准答案。在进行传统教学的一个阶段结束之后，进行一堂课堂讨论，一方面，有利于加深学生对所学知识的理解；另一方面，也可以提高学生对问题独立思考的能力。但组织课堂讨论，要注重讨论内容的选择，过难或过于抽象的问题会使学生丧失兴趣和信心，导致冷场。在课堂讨论过程中，教师要始终把握讨论的重点和方向，不致偏题，对于学生提出的观点，教师要给予适当的点评和鼓励，指出其不足，并引导讨论逐步深入进行。同时为了避免同学在课堂上提出的问题比较空洞、缺乏一定的论据，在课堂讨论的前二周时间会给学生布置下去题目，让学生在课下进行查阅资料并归纳总结，最终在课堂上提出自己有理有据的论点。

同时笔者鼓励学生自由思考、标新立异，引导学生在已有的学习和生活经验基础之上形成假说。比如，在进行“准平衡过程和可逆过程”这两个基本概念的课堂讨论中，有很多同学提出了对这两个概念自己的理解，对原有的概念提出了质疑。同时通过课堂讨论，大家也更深刻地理解了在经典热力学中为什么要引入这两个概念。

二、完善课程内容，追踪研究领域的最新进展

学生要完成研究型的学习，单靠一本教材是不可能完成的。所以笔者在教学的过程中，针对某一部分教学内容，笔者经常是结合着国内外最新的研究文献或者硕博论文进行讲解，同时附上参考文献。在整个课程的讲解过程中，笔者共引用了10余本书，并对其进行简短评价，学生可以根据自己的兴趣和研究方向，有重点地对这些参考书和文献进行深入的研究。研究生阶段学生对研究领域内的所有未知充满好奇，通过对本领域最新进展的学习，可培养学生创造性思维的意识。科研工作如果缺少创新性，则研究的价值就不能体现出来。因此笔者在授课过程中，一方面介绍当前研究的热点问题，比如说开发环保型工质的问题、先进联合循环的问题、不可逆热力学中有限时间热力学的问题等。同时还给学生介绍本专业的一些高水平期刊，比如说《Progress in Energy and Combustion Science》、《Microscale Thermophysical Engineering》等。让学生追踪本学科领域的最新研究进展，开拓自己的思路和视野。

三、改变评价体系，考核形式多样化

过去的考试体系往往是一卷订终身的形式，教学围绕考试转。最终考核的不是学生的综合能力，而是学生的记忆能力。因此笔者和课程组其他人员讨论，拟定采取“小组作业”和“个人作业”相结合的考核方式。小组作业一般由6～8人分工完成。在学期初期就将学生分组，每个小组的题目不同，要结合所学的内容和研究专题去确定题目。小组成员要定期进行讨论。在小组研究过后，需要撰写科技类的小论文，字数一般为3000字左右。之后，由小组成员分工把主要内容采用适当的形式（多采用PowerPoint）讲解出来，其他小组的成员和教师会就作业内容提出问题。小组作业一般占个人总成绩的40%，个人作业占个人成绩的60%，其由期末考试、平时讨论发言情况成绩组成。期末考试改变过去闭卷考试的形式，而采取开卷考试的形式，试题题目侧重于运用知识去解决实际问题的方法，而不再是公式的死记硬背。

通过这种考试形式的改变，在很大程度上调动了学生主动学习的积极性，对高等工程热力学产生了浓厚的兴趣。“小组作业”的形式改变了过去学生只是一个人闷头拿着教材看和学的状态，注重和组内其他人的交流，加强合作意识。同时小组的经常讨论，也使得每个学生都得到了表达自己的机会，使学生的表达能力得到了加强。而科技论文的撰写，是研究生今后从事科研的必备能力，因此课堂上科技论文的撰写是其练兵的过程。这大大地激发了学生的学习兴趣，同时也鼓励学生的创新思维。

研究型大学培养的研究生更应该具有创新意识，因此在研究生专业基础课上进行研究型教学的探索是非常有必要的，根据笔者进行的教学模式、教学内容和评价体系三方面的改革探索，已经确定初步的成效。但这仅仅是课程改革的开始，在教学模式和教学内容上我们还有许多工作要做，旨在使我们培养出来的研究生都符合知识经济时代对创新人才的要求。

参考文献：

[1]翟亚军，哈明虎．我国研究生课程教学中存在的问题及对策研究[J].中国高教研究，2004，(6)：39-41.

[2]张喜德.研究生专业课程教学改革的探讨与实践[J].广西大学学报(哲学社会科学版)，2006，(28)：65-66.

[3]孙旭峰。有限元法课程中的研究型教学实践[J].高教论坛.2009，(3)：86-88.

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工程热力学是热能与动力工程专业和建筑环境与设备工程专业的重要专业基础课，同时也是油气储运工程、化工机械过程与装备和石油加工等专业的选修课。它是一门从工程实际出发来论述热能与机械能相互转换规律及其应用的基础性课程。课程的特点是理论性强、概念抽象、公式图表繁多、热力过程变化复杂以及热力循环的表示和分析困难。

多媒体技术是文本、图像、动画、声音等运载信息的媒体结合体，以图文并茂的形式为工程热力学教学提供了多样化、多视角、立体化的教学信息空间。在工程热力学的课堂教学中，合理、适当的采用多媒体技术，不仅充实了教学内容，而且使课堂教学更加生动形象，提高了教学质量，教学效果良好吼

一、多媒体教学的必要性

工程热力学课程的基本理论应用部分涉及许多图片、图形，内容围绕工作原理图、系统循环图展开，传统的板书教学需占大量的课堂时间手工绘制，效果不太理想，如果利用计算机制作成多媒体课件，集光、形、色于一体，形象直观、内容生动，可以使视觉和听觉同时发挥作用，增加课堂授课的生动性，激发学生学习的兴趣，有利于学生认知能力的开发和对教学内容的理解。

〔一)及时更新教学内容。多媒体辅助教学，可以节约板书时间，有效地拓宽教学空间，在有限的时间内提供更多信息量，使教师有更多的时间进行重点、难点知识的讲解。现代科学技术发展迅速，日新月异，而部分教材内容不可能及时更新，在课件制作中可补充大量最新技术资料，不仅解决教材内容相对滞后的问题，而且可引荐专业发展的前沿信息，拓展学生的视野。

(二)完善传统教学手段。多媒体将传统教学手段难以表达的内容和难以观察到的微观热现象通过文字、图像、声音和动画等形式生动的表现出来，加深了学生对知识的理解，激发了学习兴趣和学习主动能动性。另外多媒体可通过字体的缩放、颜色的变化或明暗交替以及动态出现等方式来强调重点，使学生印象深刻，更容易记住这些知识点。

(三)增强学生感性认识。工程热力学中有许多抽象的概念和过程，如孤立系统、平衡状态、压缩过程、水蒸汽定压发生过程等。仅通过书本上的概念和简单的插图来讲述或通过学生的想象来理解、掌握这些知识点是非常困难的，而借助多媒体技术就能使这些问题迎刃而解。多媒体课件支持FLASH动画}WMV，AVI视频等播放插件。如在讲解内燃机结构和原理时，采用FLASH制作简单的动画来演示汽车内燃机的工作过程，学生在动画中能非常直观地看到内燃机的吸气、压缩、燃烧和排气，再配合P-V图画出热力过程，看起来一目了然，有利于学生对过程的理解和掌握，进而分析不同的压缩过程所需功耗的不同。同时结合一些有趣的思考题。如:为何给球打气时用湿布裹住气筒外壁能节省体力?汽车油门是控制油量还是空气量?这样既能有效巩固压缩机省功原理，又与现实生活紧密联系，极大的激发了学生的学习兴趣。

二、多媒体教学内容的选择

国内各类院校能源动力类专业基本都开设了工程热力学课程，但可供课程使用的优良教材数量有限，且教材更新较慢，特别是工程背景和应用方面的知识较为匾乏。为此，首先应根据各高校学科专业特色，选择合适的教材和参考书，为多媒体课件制作提供最基本的知识体系保障。其次各专业知识是相通的，但侧重点不一样，应补充介绍同一概念在不同工程运用背景下的区别和联系，让学生能更好的理解基本概念做到融会贯通。比如，热力学能是工质的内部储存能，是温度和比容的函数。工程流体力学课程中，认为液体流动中温度和比容为常数，所以热力学能不变，研究中可以忽略。而工程热力学研究中，热力学能是重要的状态参数，不能忽略其变化。最后要结合专业特色，拓展工程实践知识，开展相关工程应用专题讲座，避免计算时出现手提吹风机功率在60KW以上，甚至达363KW，而汽轮机喷管出口速度只有十几米每秒的低级常识性错误。

三、多媒体课件制作应注意的问题

多媒体电子教案存在直观、形象、生动、图形图像功能强大、易于展示最新科研成果、教学信息量大、学生易于复习等优点，但同时存在单幅信息量少、幅间信息不连贯、前后呼应不够、学生思维不易跟上等问题。在制作时应该扬长避短处理好以下几点问题。

(一)多媒体模板的制作。多媒体课件需合理照顾章节间的关系，但每张幻灯片的空间有限，难以有效发挥“标题”和“正文”的相互呼应。合理制作多媒体模板，是增加课件内容逻辑性和关联性的重要保证。为此，应根据教学大纲内容制作本章节教学内容的主题目录，教学时采用超链接的方式打开。其次建议每张幻灯片分成三个区域:标题区、正文区和脚注区，并用横线严格区分，做成统一的模板。在标题区右上角，角注本章标题，而在标题区中央插人本节标题。正文第一行插入本节幻灯片主要内容标题，与正文呼应，使信息尽量连贯。脚注区可插人授课日期，页码等辅助信息，保证每页幻灯片的完整性。最后，应制作复习提纲，与首页主题目录提纲和正文重点内容呼应。

(二)文字内容的确定。工程热力学作为一门技术基础课程，基本概念、基本原理、基本方法是要求学生掌握的重点，需要通过大量的文字来进行表述，因而课件上的文字内容不可避免要占有较大篇幅。需要特别注意的是切忌将大量教材内容原文照搬到课件上，授课时照本宣科。文字内容的确定必须经过反复推敲、归纳和总结，将核心内容提炼出来，完整的表述则通过授课或与同学之间的讨论来完善。古人云:文章千古事，得失寸心知。幻灯片制作也是一样，一定要精益求精。建议每张幻灯片不超过四段文字，每段文字不超过两行。在需要特别强调的地方如前提条件和重要结论要点，用特殊强化处理标注，如PPT自带的红色五角星符号。当然对于课程中一些经典的概念和原理如孤立系统嫡增原理等建议给出原文，让学生根据自己的理解提炼或用自己的言语表述，以加强对概念或原理的理解，同时培养学生的逻辑思维能力。

(三)图像的选择与处理。多媒体课件的优势就是图片功能强大，需要充分发挥。应选择既反映工程实际又具有较高清晰度和对比度的优良图片，这样才不会出现投影放大后的图像失真的问题，这一点需严格遵循宁缺勿滥的原则。对于原理性图，如果直接采用软件从书本上复制粘贴由于涉及图像格式转化会导致图像像素丢失，图像失真，建议利用PPT自带的画图工具绘制，这样既可以对图像中各类曲线实现不同颜色、线条标记，又可以在播放时实现分层逐级播放。另外结合PPT动画播放功能里的“擦除”效果，可实现曲线的动态绘制过程，利于学生理解和掌握热力过程曲线。比如，理想气体几种基本热力过程在P-V图上同时出现时曲线烦乱，各区间物理意义复杂易混淆。采用上述方法可以得到很好的解决。

(四)多媒体课件的放映。在课件放映时，文字的出现应设为逐行或逐字播放，让学生有时间记笔记和思考，不宜像放电影一样整屏播出，此时内容繁多，眉毛连着胡子，学生分不清主次，很容易走神，更谈不上理解和掌握。

作者的体会是应根据讲解的思路和过程，逐级播放。特别是涉及公式推导时，应模拟黑板推导的过程，逐步或分块出现。当然，这也会造成教师频繁使用电脑，影响教师讲解和学生思考的连贯性。建议使用多功能激光笔，实现远程控制幻灯片播放。这样教师一方面不用局限于讲台上，活动空间得到大大解放，另一方面也可以到讲台下加强与学生的近距离互动讨论，有效维护课堂记录。

四、多媒体教学中需注意的问题

效果优良的多媒体教学也存在学生视觉疲劳问题，这与黑板教学相比是一个固有缺陷。据赣南医学院的一份调查数据显示。大学生在课堂上被多媒体教学光照时间太长，学生连续2个课时接受多媒体教学，约22%产生轻度视觉疲劳，连续4个课时，轻度视觉疲劳则高达61%。可见，培养一支高素质多媒体教学课件制作队伍，是消除学生视觉疲劳和提高教学质量的关键。积极参加多媒体教学课件制作学习班，学习适用于大学生最佳课件制作视觉效果的理论与方法，制定多媒体教学课件制作视觉审美的基本要素、基本规范和基本参数。

同时多媒体授课时光线较暗，如果课堂授课时教师只是点点鼠标，学生瞪大双眼看，相互之间缺乏交流，学生容易昏昏欲睡。因此教师不能只站在讲台前一字不差地朗读讲课，应当随时观察学生听课的精神状态，适当地走到屏幕前指点内容，或者丰富教师自身的面部表情和肢体语言，利用提问、现场讨论等互动交流以活跃课堂气氛与调动学生学习积极性。

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热工课程以研究热能的有效利用及转换与传递规律为其基本内容，在工科许多大类专业的人才培养中具有重要地位。在我国，热工基础课程一般指工程热力学与传热学两门课程，内容主要由工程热力学与传热学组成的“热工学”或“热工基础”也属于热工基础课程的范畴。本文的讨论主要针对这三类课程来进行。

至上世纪末，我国热工课程开设的情况是：有150余所高等工业学校开设热工类课程，分布在除台湾、、青海三省区以外的境内高校。全国热工课程教学的一般情况是：(1)热工课程的设置主要在能源动力类、石油化工类、航天航空类、土建类、交通运输、轻纺食品等大类专业；(2)热工教学实验以验证性为主，测试手段比较落后，设备比较陈旧：(3)已经出版了一批由我国作者自行编写的工程热力学、传热学与热工学教材。

6年多来，经过“211工程”、“985工程”建设项目的支持，我国热工实验教学情况有了较大改观，开课的大类专业面有所扩大，机械类专业目前大多开出了少学时的热工学课程。同时通过教育部组织的面向21世纪教学内容和课程体系的改革，以及21世纪初高等教育教学改革项目的实践，出版了一批面向21世纪课程教材，使我国热工课程教材的内容有了较大的更新，编著水平也明显提高。在近十年中，国际上工业先进国家也同时在进行着类似的改革，并出现了一批比较优秀的新教材。与这些先进国家的热工课程教学和新教材相比较，我国还有一定的差距，某些方面差距还比较大。

本文在简要回顾了热工课程教学的历史后，着重介绍和分析了工业发达国家近十年中热工及相关课程的教学与教材编著情况，最后提出作者的意见，以求教于国内同行专家和教师。

一、国外、境外热工课程教学发展情况

1．热工课程教学的历史

近代热科学的产生与初期的发展集中在欧洲国家。根据文献[1]的观点，热科学研究的起源可以追溯到Galileo时代(1592)，而且早期热学作为物理学的一部分，热力学与传热学的研究是溶为一体的，例如Boltzmann从热力学证明了Stefan由实验得出的辐射四次方定律。又如热力学第二定律的创建人之一Kelvin在1862年用以下的方法来估算地球的年龄：假设地球之初是温度均匀(3900℃)的圆球，热扩散率为常数，取为岩石沙砾之值，利用Fourier导热微分方程，按半无限大物体计算，从初温冷却到目前地层深处的温度梯度(1℃／27．8m)需要9800万年。按现代的观点看，Kelvin显然求解了一个传热学的问题。

无论热力学还是传热学，其发展都经历了从“科学”到“工程”的过程，即，从初期作为物理学一部分的热学演变、发展成密切结合工程实际的“工程热力学”与“工程传热学”。以传热学为例，[2]在19世纪的物理学中热量传递方式只有导热与辐射，其基本定律均已得到解决。然而大量的工程问题中还遇到流体与固体间的热交换，虽然牛顿早在1701年就提出了对流换热的初期思想，但并没有真正解决工程计算问题，一直到进入20世纪，经过一批主要是德国科学家的努力，包括Prandtl、Karmann、Nusselt、Blasius以及后来的Eckert，也有前苏联科学家(如Kirpichev等)的贡献，传热学开始由“科学”演变成“工程”，其中整理试验数据的量纲分析方法或相似原理引入传热学的对流换热是一个标志性的转折。第二次世界大战后，传热学的研究中心由德国转移到美国，其中Jakob、Karmann及Eckert三位德国科学家的移居美国起了很大的作用。欧美国家工程热力学与传热学课程的开设始于何时，暂时无法查考。就教材而言，最早的一本传热学可能是德国科学家Grober的著作(1921)。[3]然而影响较大的要推McAdams的“Heat transmission”(1933)。[4]随后Jakob与Hawkins的教材，[5]Eckert的教材[5]相继问世，成为20世纪40～50年代的代表作。Holman的传热学第一版出版于1963年。[7]此后欧美以及前苏联的传热学教材出版情况可见文献[8]。

2．近代热工课程开设情况

到20世纪80年代后，工程热力学与传热学已经成为欧美国家机械类学生的必修课，有的学校还设为工科学生的基础课。根据我们的调查统计，在境外的高等工程教育中，传热学与热力学课程的开设相当普遍。[9]我们曾经调查过国外20余所大学开设热工课程的情况。从返回的调查表看出，机械工程系、化工系、核能工程系、材料系等均普遍开设热工类课程。有的学校把热学类课程作为工学院的公共课程，如美国依阿华(Iowa)州立大学工学院在2000年开出的81门课程中(不含基础课)，包括有电子、信息、计算机、控制、电磁场等系列的课程，其中热学方面的基本课程有4门，即热力学I、热力学II、传热学及热流系统设计。麻省理工、普渡大学及密西根大学等，热力学和传热传质学都是机械系设置的主要课程之一。表1是密西根大学工学院机械系学科基础和专业课课程学分情况，从中可以看出热工理论课程所占的分量。

在美国高等学校中，机械工程系主修课程的设置一般分为两个层次，即(1)基本层次，该层次中的课程一般覆盖了该校机械系各个研究方向的最基本的原理，是所有学生的必修课，在这一层次课程中均包含热力学与传热学的基本原理课程在内。(2)专门化层次，该层次中按专门方向不同而分成若干组课程供学生选修。欧美这样的课程设置值得我们借鉴。

3．最近十年美国热工课程教学的发展

在最近十年中，美国高等学校工科热工课程的教学呈现出许多新的发展趋向值得我们重视。首先在热工课程教材方面，美国高校中出现了像Cengel与Boles的Thermodynamics――An Engineering Approach，[10]Cengel的Heat transfer――A practical approach，[11]Incropera／DeWitt的Fundamentals of heat transfer[12]这样取材丰富、构思新颖、内容先进的教材。有关这些教材特点的

详细分析见参考文献[8]。

在热工实验方面，20世纪末美国高校也进行了面向21世纪的探索，例如美国普渡大学DeWitt等三位教授进行了题为“Curriculum for the 21th Century”的研究，[13]对于传热学试验提出了以下改革内容：

(1)减少“传统”的实验，增加学生进行团队项目的时间；(2)增加有挑战性的工程设计项目；(3)给予动手训练机会；(4)训练与工程界合作；(5)培养交流项目结果的能力。

为此，该校改进了原有的实验系统，配备了数据采集系统，同时从工业界不断引入设计性的实验课题，并分解成为团队项目的内容。从普渡大学机械系的这一改革思路看强调了减少传统的实验，增加来自工业界实际项目的训练；强调了团队合作的训练；强调了培养交流与动手的能力。

当然传统的实验还是需要的，是加深学生对教学内容的理解以及培养动手能力的环节。在传统实验的内容与组织上也要注意综合性的培养。我们来看普渡大学的传统传热学实验课程的内容，参见表2。

由表2可见，就这些传统的实验内容而言，其综合性与测试技术的训练也是比较好的。

二、对今后教学改革与发展的一些思考

1．热工课程教材怎样适应不同类型学生的培养需要

热工课程的基本知识应当成为工科各专业学生必须具备的技术素质，热工课程应当成为我国工科学生、尤其是机械类专业的学生的共同的工程基础课程。这是由于：(1)热现象是自然界中最普遍的物理现象，同时各个工程技术领域中及日常生活中的各种其他形式能量最终大都是以热能的形式耗散于环境及宇宙之中。因而作为介绍热能的有效、合理的利用和转换、传递技术的热工课程，不仅应是许多大类专业的重要技术基础课，而且也应是21世纪所有工科类专业学生的一门公共技术基础课。(2)我国中长期能源发展规划制定了节能优先战略，提高能源利用率是确保我国中长期能源供需平衡的先决条件。无论是从国内资源还是世界资源的可获量考虑，中国只有创造比目前工业化国家更高的能源效率，才能在有限的资源保证下，实现高速经济增长和达到中等发达国家人均水平。因此，工科学生应该具备合理用能、节能的意识并懂得其基本技术。而热工课程的内容是合理用能及节能理论中最基础与核心的部分，热工基础课程在工科各专业人才培养中具有重要的作用和地位。

按照这一观点，在我国工科21类专业中，[14]至少有6大类(能源动力类、化工制药类、航空与航天类、环境与安全类、武器类、土建类)专业应该开出高学时的工程热力学与传热学的课程，其中能源动力类是最典型的一个大类专业。我国目前设有能源动力大类专业的学校有130余所。按照教育部分类办学的思想(研究型，教学型以及介于其间的类型)，这一百多所学校不可能是属于同一类型的学校。那么同是高学时工程热力学与传热学在教材上是否要有所区分?还是可以采用同一种教材由主讲教师酌情选讲?如果有区分，区分主要在哪些方面?这一问题涉及到热工课程教学指导委员会在制定基本要求以及今后组织教材编写方面的一个基本考虑，需要通过深入研究取得共识。

2．如何使教材内容适时地跟上学科与工程技术的发展

近代工程技术的发展给本科热工课程教学带来了巨大的变化。[8]例如，20年前的本科生教材很少有关于火用分析方面的内容，而现在这个状态参数已经被广泛接受并用来分析设备过程的能量利用情况。近代高新技术的发展给传热学增添了许多新的内容，近十年内发展起来的纳米微米传热学就是一例。

相对于传热学，工程热力学国内外教材的内容显得过于稳定，近年来出版的教材中新技术的概念介绍极少。比如，当前中国的长期能源问题已经十分突出，为保护环境，执行可持续发展的方针，在工程热力学教材上，对新的、先进的能源利用方式(联合循环发电、氢能利用、燃料电池、分布式发电和热电冷三联供、新能源发电等等)是否应该有适当的反映?超临界和超超临界循环是传统燃煤汽轮发电机组提高经济性与环保性的有效途径，也是近年来国外燃煤火电厂的重要发展方向及我国要积极研发的方向，在工程热力学的新教材和今后的教学中也应有相应的地位。

3．热工课程的实验教学改革与更新应当怎样进行

热工课程包含的两门学科，热力学与传热学，都是应用科学，实验教学无疑是完整的课程教学的组成部分。多年的经验表明，实验教学的改革与发展某种程度上比课程本身还要困难，主要是涉及到设备的购置、更新所需的经费问题。在国家实施“211工程”二期或者“985工程”的建设中怎样利用有限的资源(财力)来改革、更新热工教学实验值得重视。在建设实际动手的实验台位时，是否也可利用多媒体的工具建设或购置一些“软件实验”作为补充?[15]在动手的实验方面，前苏联曾经出版过有关传热学实验教学的图书，[16]20世纪80年代热工教学指导委员会也组织出版过这样的图书。[17]目前有否必要再组织出版这样的参考书?

4．在热工课程的教材与教学过程中怎样加强学生的能力与创新精神的培养

近期世界范围的内的教育改革都十分注意对学生解决问题的能力与创新精神的培养，这从最近出版的美国教材中可以明显看出。由于中外教育体制、教育传统和教学理念方面的不同，在吸收西方教材先进经验的同时，我们应当努力探索适应我国具体情况的措施与方法。过去的实践表明，首先教师本身除了从事教学以外一定要参加科研，以丰富自己的学识、提高自己的业务水平。在教学过程中每位教师都应努力将教学内容与自己的学术经历结合起来，努力使书本上的资料成为活生生的实例。在教学法方面注意启发性，辅以对部分学有余力学生的讲座等课外活动，等，这些都能收到一定成效。但是从总体上说，热工课程教学中探索对学生的能力与创新精神的培养仍然是进一步研究的课题。

5．是否要开出经过整合的新型热工课程

为适应不同类型专业的需要，可以开设出一些综合性的新的热工类课程。无论是能量转换、热量传递还是质量传输，都有如何提高转换效率、传递效率和节约能源的问题，其中的关键是要减少过程的熵产(或不可逆损失)以及强化传递过程。这是它们共同的最重要的东西，可否开设一门综合热力学、传热学、传质学和流体力学的新课――例如可称为“热设计及优化”。国外目前已经有这类图书出版，第一步可以翻译过来作为参考教材。如果关于“优化”的内容能结合一些专业过程中的具体问题，那么这样的课程就会受到相关专业的欢迎。

6．热工课程的双语教学应当怎样进行

双语教学是目前教育部提倡进行的一项教学改革，

而热工基础课程也常常被选为进行工程技术课程的双语教学的对象。[18]这里涉及到许多具体问题：在编写汉语教材时怎样照顾到双语教学的需要?怎样选择英语工程热力学与传热学教材?怎样循序渐进地进行教学，以真正收到双语教学的实效而不流于形式?

7．对我国中青年热工课程教师学术趋向的思考

要提高我国热工课程教学质量，关键在于教师。与我国人才队伍总体情况一样，我国热工课程教师队伍的主体已经由30～45岁的中青年教师所构成。这个主体的特点是学历层次较高，大多数具有博士学位，一般具有硕士学位。为使我国热工课程教学接近或者达到发达国家的平均水平，关键在于这支教师队伍。就他们的学术发展而言，目前他们的学术趋向面临一个主要问题是：是否需要将热力学与传热学融为一体，固然可以有所侧重，但是不是不要截然分开?这方面，国外的一些情况值得我们借鉴：英国的Spalding是著名的计算传热学与流体力学专家，但是他也写过一本工程热力学的教科书：[19]Cengel以他的传热学教科书而知名，但他同时又是工程热力学教科书的作者，[10]而且Cengel的工程热力学与他的传热学同样著名；田长霖教授是熟知的传热学大家，但他与Lienhard合作写过一本统计热力学教科书。[20]将熵产分析用于传热问题的首创者Bejan也是集热力学与传热学于一身的知名学者。[21-22]我国的中青年热工课程教师值得对此进行思考。

参考文献：

[1]Cheng K C．Historical development of the theory of heat and thermodynamics：Review and some observations．Heat Transfer Engineering，1992，13(3)：19-37．

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[4]McAdams W H．Heat transmission．New York：McGraw-Hill,1934．

[5]Jakob M，Hawkins G A．Elements of heat transfer and insulation．New York：John Wiley，1942．

[6]Eckert E R G．Introduction to heat transfer．New York：McGraw-Hill，1950．

[7]Holman J P．Heat transfer．New York：McGraw-Hill，1963．

[8]陶文铨，何雅玲，李增耀，唐桂华．“传热学”本科生教材40年的变迁及其对我们的启示[Z]．2004年全国热工课程发展战略研讨会论文集．

[9]陶文铨，何雅玲，王秋旺．境外大学工科热工类课程的设置[J]．高等工程教育，2000(增刊)．

[10]Cengel Y A，Boles M A．Thermodynamics-An engineering approach．Sixth edition．New York：McGraw-Hill，2006．

[11]Cengel Y A．Heat transfer A practical approach．Second edition．New York：McGraw-Hill，2003．

[12]Incropera F P，DeWitt D P Fundamentals of heat and mass transfer．Fifth edition．New York：John Wiley＆Sons，2002．

[13]Bianchi M V A，Schoenhala R J，DeWitt D P．Changing the role of the laboratory in a heat transfer course．ASME HTD-Vol．344，National Heat Transfer Conference，Vol．6，1997，1―8．

[14]中华人民共和国教育部高等教育司编．中国普通高等学校专业设置大全[M]．北京：高等教育出版社，2003．

[15]Hammer N R，Voller V R．Simulations of basic fluid mechanics laboratories using multimedia authoring tools．ASMEHTD-Vol．344．National Heat Transfer Conference，1997，Vol．6，pp．43-52．

[16]奥西波娃B A．传热学实验研究[M]．蒋章焰等译．北京：高等教育出版社，1982．

[17]涂颉，章熙民，李汉炎，林瑞泰．热工实验基础[M]．北京：高等教育出版社，1986．

[18]冯妍卉，张欣欣．“传热传质学”课程双语教学计划的探讨[J]中国电力教育，2002,4：95-97．

[19]Spalding D B，Cole E H．Engineering thermodynamics．London：Edward Arnold，1973．

[20]Tien C L and Lienhard J H．Statistical Thermodynamics．New York：Holt Reinhart and Winston，1971．

篇5

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）20-0151-02

一、引言

《化工分离过程》是武汉大学能源动力学科化学工程与工艺专业开设的研究生专业课程。该课程特点是综合性强、内容广泛，包括化工实际生产中多组分物系分离过程的原理、流程、计算、应用以及相关领域的前沿研究。要求学生掌握各主要分离过程的基本原理、特性分析、操作特点、简捷和严格计算法、应用以及研究进展等。虽然学生在本科阶段已经学习了《物理化学》、《化工原理》等基础课程，但由于分离过程所涉及到的化学工程基础知识点较多，经验性知识内容较多，而新的分离技术与分离装置又不断出现[1]，学生学习有一定难度，因此，如何组织好这门课的教学至关重要[2，3]。本文根据研究生课程《化工分离过程》教学的特点，对该课程教学存在的问题进行了总结，结合研究生课程教学实践，深入研究教学方法，并提出了课程教学的改革方案。

二、课程现状及存在的问题

1.课程概况。本课程第一章为单级平衡过程，主要讲述相平衡，多组分物系的泡点和露点计算，闪蒸过程的计算。第二章为多组分多级分离过程分析与简捷计算，涉及设计变量，多组分精馏过程，萃取精馏和共沸精馏，吸收和蒸出过程流程，萃取过程。第三章为多组分多级分离的严格计算，包括平衡级的理论模型、逐级计算法、三对角线矩阵法。第四章为分离设备的处理能力和效率，主要为气液传质设备的处理能力和效率、萃取设备的处理能力和效率、传质设备的选择。第五章为分离过程的节能，分离的最小功和热力学效率，精馏的节能技术，分离顺序的选择。第六章为其他分离技术和分离过程的选择，主要为膜分离技术、吸附分离、反应精馏、分离过程的选择。教材选择为陈洪钫、刘家祺编《化工分离过程》（化学工业出版社，2006年），参考教材选择勒海波等编著《化工分离过程》（中国石化出版社，2008年），贾绍义、柴诚敬主编《化工传质与分离过程》（化学工业出版社，2001年），以及蒋维钧编著《新型传质分离技术》（化学工业出版社，2006年）。

2.教学面临的主要问题。（1）内容多，学时少。“化工分离过程”具有知识点多、复杂例题多、图表公式多等特点，传统的教学以板书为主，重要内容、公式推导以及例题讲解都不便，教学效果不理想。同时随着化工分离过程新技术的出现，要求研究生更加重视新知识、新理论，这些要求与较少的课程学时形成冲突[4]。（2）教学内容落后。随着学科和新技术的发展，化工分离过程理论也应不断完善。当前课程教学内容很多都已落后，而且对于本学科的前沿思想、理念、方法未得到重视。早期的教学大纲和教材不能满足学生目前所学所用[3]。（3）教学评价机制不完善。考核评价单一且不完善，传统的考核方式通常以单一的期末闭卷考试为主，教学效果和学生对课程的掌握程度主要通过期末理论考试成绩来评价。这种单一评价学生成绩的考核方式不适应《国家中长期教育改革和发展规划纲要》的要求，也不利于学生的全面综合发展。（4）教学方法单一。化工分离过程的原理和结构复杂，依靠传统教学方式获得的信息很抽象，学生难以理解，而且教学方式过于单一，学生较难理解工作原理。当前已经跨入网络时代，但专业课的教学远远没有利用先进网络技术，仍然停留在教师讲授、学生习题的状态。学生的创造性和积极性难以被激发出来，导致教学效果欠缺。

三、教学方法改革与实践

1.优化并整合教学内容。合理安排教学内容，在有限的学时数下，尽量保持教学内容的系统性和完整性。化工分离过程仅有36个学时，如何选择教学重点以及教学方法，对提高本课程的教学效果十分重要。目前现有课程内容设置与化工原理、物理化学、化工热力学等课程具有一定的重复性。通过认真比较，教师对教材内容进行了优化与整合。

我们采用的主教材为陈洪钫、刘家祺编《化工分离过程》，由于本专业研究生本科期间未修《化工热力学》，故将第二章作为讲述重点。此外，增加新型化工分离技术，将超离子液体、膜分离、双水相技术等典型工程案例引入教学中，使课堂教学更具有现实性和新意。减少与化工原理内容的重复，对化工原理教材中已涉及到的内容如双组分精馏、吸附和结晶等安排自学，重点讲解多组分体系的工程计算，将有关基础及计算机应用在藕合与集成过程设计中体现出来，培养学生利用化工单元操作的基本原理解决实际复杂体系分离问题的能力。由于每章授课时间只有3～4学时，我们将课程重点放在分离技术合理选择、分离过程优化设计上；且根据具体产品的生产方法，结合化工原理、反应工程、化工热力学，从工程、经济、环保等角度出发，讲授专业知识。

2.多元化教学方式相结合。化工分离过程涉及大量单元过程及分离设备，需要较多的图表表述，传统的教学方法中，图形的表述形式和内容受到局限。因此通过多媒体课件、板书及视频相结合改进教学效果。

一方面，采用多媒体教学可充分利用电子课件、动画、视频等将其知识直观表述，为学生提供真实的情景教学环境，把化工分离过程中复杂内容简单化，抽象内容具体化，枯燥内容形象化，不仅激发了学生的学习兴趣，同时也丰富了课堂教学内容，提高了教学效率和效果[2]。充分利用网络资源如动画和录像，改善了教学媒体的表现力和交互性，促进了课堂教学内容、教学方法、教学过程的全面优化，从而提高了教学效果[1]。例如讲解甲醇生产装置工艺设计等。另一方面，传统板书在教学中也起着至关重要的作用。公式推导、逻辑计算与微观原理的分析，需要板书与PPT结合，引导学生的思维。此外，在教学过程中还采用了对比式教学方法，例如，双组分精馏和多组分精馏，简捷计算法和严格计算法，共沸精馏和萃取精馏，操作型计算和设计型计算等。

3.课堂讨论教学。研究生课程的教学应更加深入地采用师生互动的方式而非传统的本科生课程教学方式。讨论课的一种方式是当讲授到课程的重难点时，加入讨论环节，把重要问题提出来，先让学生分组讨论，然后教师再针对重点和难点进行细致讲解。这样可充分调动学生的积极性，加深了学生对知识的理解，也加强了学生知识体系的完整性。例如在讲多组分精馏时，教师在介绍完两个极限条件及进料位置的选取后，让学生讨论简捷计算方法的步骤和应用，并与二组分精馏进行对比分析。另一种方式是教师根据每章主要内容，列出讨论选题提前发给学生。本课程的讨论课设置了不同专题，例如超临界流体萃取、反胶团萃取及双水相萃取，液膜分离技术，特殊精馏过程分析，新型吸附技术、新型膜分离等。每人自选一题，要求学生查阅国内外最新文献并制作PPT。每人陈述20分钟，其他同学和教师对其论题进行提问，由该同学负责回答。讨论结束后，教师评价该同学的陈述情况，并提出建议。教师从学生的讲述中可基本了解其掌握知识的程度，查阅资料的多少，其他学生通过该生的陈述，也扩展了知识面。通过开展讨论式课堂教学，极大调动了学生的主观能动性，取得了很好的效果。

4.课堂教学与课题研究相结合。如何提高研究生的学术研究能力是研究生培养的关键。武汉大学能源动力学科化学工程与技术专业是由电厂化学专业发展而来的，主要培养面向电力能源行业尤其在电力生产用水处理方面的从业人员，因此在教学过程中如何提高研究生解决问题的能力显得尤为重要。在加强学习理论知识的基础上，教学中要求研究生对学科前沿加以关注，根据导师的研究方向，了解化工分离过程在该研究方向上的发展及应用近况，撰写文献综述，同时通过查阅大量文献资料，获取化工分离过程最前沿的知识，不断提高理论水平。

5.改革考核评价方法。建立多元化、规范化的研究生专业课程评价体系。本课程有针对性地改革了考核方式，重点考察研究生掌握知识的能力，如：采用开卷考试、专题研讨和课程论文相结合等方式，注重考核研究生将所学知识融会贯通，应用于解决实际问题的能力；指导研究生撰写课程论文，促使其查阅大量文献资料，了解学科发展前沿，拓宽知识面。通过考核力求提高研究生分析问题和解决问题的能力，激励学生重视和积极参与学习的全过程，把能力培养、知识传授和素质教育融为一体。本课程将考核进行细化，分成以下四部分：期末开卷笔试成绩占40%，专题汇报占25%，课程论文占25%，平时表现10%。

四、结语

工科研究生专业课程的教学目的在于学以致用，需要通过有效的教学环节保证学生掌握必要的课程知识要点，并学会将之运用于分析解决实际问题。本文作者经过近几年对研究生课程《化工分离过程》教学方式的探索与实践，通过优化整合课程内容，采取多元化教学方式，能够有效改善传统教学方法上存在的诸多问题，调动学生的学习兴趣和主动性，从而提高课程的教学效果，并且能使学生在其他方面得到提高，全面提升专业素养。

参考文献：

[1]曾涛.《化工分离过程》教学中提高学生工程能力的探索研究[J].广州化工，2014，13（42）：216-217.

篇6

将气体加热到摄氏几千度以上就形成等离子体。等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，也称物质第四态。它是由完全或部分电离的导电气体组成，其中可包含电子、正离子（原子或分子）、负离子（原子或分子）、激发态的原子或分子、基态的原子或分子、游离基等六种类型的粒子。这些粒子的正负电荷数量和密度大致相等，因而，等离子体在宏观上保持电中性。

产生等离子体的方法很多，自然界雷电、日冕、极光等均可产生等离子体。在实验室里可用放电、燃烧和激光等方法产生等离子体.处于等离子态的各种物质微粒具有极强的化学活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应。

通常用于化学合成反应的等离子体（温度低于104K，压力在10-3一103atm之间）属于物理上低温等离子体范畴。它又可分为热等离子体和冷等离子体。前者是由稠密气体在常压或高压下电弧放电或高频放电而产生。体系中电子温度和气体温度接近相等，约3000～5000K，常用于无机合成和有机物裂解反应的高温热源，后者是由稀薄气体在低气压下用激光、射频或微波电源激发辉光放电而产生。体系中电子温度可高达数千至数万K，而气体温度很低，大致在室温至上百℃。

一、等离子体热力学

众所周知，对完全热力学平衡状态（反应时间足够长，以致各种“自发的”不可逆过程均已完成），其宏观物理状态都可用T、v，T、P；S、V；S、P等状态函数中的任一对单值地描述。其中T是绝对温度，P是压力，v是体积，S是熵。

如果把等离子体看作是处于热力学平衡状态，则可以套用热力学关系式对等离子体的热力学性质加以描述，例如热等离子体比较接近这种情形。然而，等离子体通常是空间不均匀的，且处在电场、重力场等外场中，因而平衡只能是局部的（即对于一个小的等离子体元而育）。为此，系统中各点处的平衡参数（尤其是温度）各不相同，在很大程度上取决于外场的分布和大小。此外，等离子体中存在着弹性碰抽、复合、粒子对光子的吸收和辐射等多种复杂的微观过程，而这些微观过程又往往伴随着动能和动量的交换以及粒子的形成或湮灭。这些都决定了等离子中只能建立所谓的统计平衡，即在给定的类型中，粒子的坐标、动量和内部状态等有一个唯一确定的分布。迄今为止，还没有可靠的实脸方法能用来测量等离子体的各种热力学性质，而只能用统计热力学的方法从理论上对它们定义。

对于低温等离子体，可将其看成理想气体的混合物，如果忽略粒子间的库仑作用，其热力学性质的计算可简化为以下三部分：

1.用平衡态理想气体统计热力学公式计算“纯粹”单个成份的热力学参数；

2.用化学平衡的完全方程组（包括解离和电离方程）来计算等离子体的成份；

3.从已知的单个成份的函数值计算整个体系的热力学函数。

二、等离子体用于无机化学合成

1.利用等离子体合成陶瓷超细粉

陶瓷在无机材料中占有重要的地位。随着各种新型陶瓷材料的出现，它在许多尖端工业中获得新的应用。利用等离子体来合成陶瓷超细粉作为一种开发新型陶瓷材料的有力手段越来越受到人们的重视。

早在60年代后半期，就已经开始研究采用等离子体喷射的陶瓷熔射法，用此法已制出部分氧化物和碳化物系陶瓷。60年代初期，有人开始采用热等离子体法合成陶瓷微粉体。其方法是将反应物注入到热等离子体中进行高温化学反应，然后通过超强冷却生成微粉体。其特点是在超高温蒸气的冷却过程中产生非平衡化学反应。这方面已发表过不少论文，但由于大部分工艺是把反应物直接导入直流等离子体喷管，特别是用氯化物和反应性强的气体作反应物时，电极受到剧烈的腐蚀，再加上对等离子体本身的基础现象没有充分了解，因而发展并不很快。70年代，等离子体化学迅猛发展，逐步搞清了采用普通直流等离子体喷管进行陶瓷合成的极限和反应过程的控制以及化学反应速度理论所要求的反应时间的极限，于是利用高频电场感应等离子体喷射合成陶瓷的方法应运而生。高频感应等离子体又叫感应偶合等离子体，是Reed于1961年研制成功的。其优点有二：一是气体流速比直流等离子体的喷射速度约低一个数量级，至多不过30m/s，易于获得数厘米直径的等离子体，反应物可在等离子区滞留10毫秒，因而能在等离子区进行较充分的化学反应，对反应过程也能进行控制，二是无电极放电，不会出现反应物对电极的腐蚀和电极物质混入反应体系成为杂质，可以使用级化物、O2、uf6等各种强反应性气体。

采用高频等离子体合成陶瓷微粉体时，根据注入物质是粉体还是气体，可选择二种稍有不同的工艺：前者是粉体在等离子体中蒸发，获得超高温蒸气，在冷却过程中进行化学反应，后者是气体物质在等离子体中进行解离、分解等一系列高温化学反应和其后的冷却过程中的化学反应。我们把前者称为“反应性高频等离子体蒸发法”，后者称为“高频感应等离子体化学气相淀积法”。

超高纯度的氧化物系陶瓷，格外受到人们青睐，特别是杂质含量只有lbbm（10-2）的SiOa微粉体，作为电子材料，今后的需求量将迅速增加。而在制备SiOa微粉的诸多工艺中，尤以用氧等离子体载化SiCl4的方法为最佳。

2.高颇等离子休淀积无机膜

薄膜在材料科学中占有极其重要的地位。等离子体化学的许多工作都与薄膜的制备和研究有关，上述“高频等离子体化学气相淀积法”通常即是针对制膜而言的。这方面的研究近20年来进展非常快。在半导体工业中，这种技术已成为大规模集成电路干式生产工艺中的重要环节。自1973年以来，英、美、日等国相继用这种技术制成了氢化非晶硅（α-Si：H）薄膜。利用该技术可以制备Al2O3、BN、TiN等绝缘、耐腐蚀、耐磨的固体薄膜，正处于走向实用化的阶段。

高频等离子体淀积薄膜工艺分为等离子体增强化学气相淀积（PACVD）和等离子体增强物理气相淀积（PAPVD）两大类。PACVD是使反应性气体通过等离子体区进行化学反应后在衬底上成膜，其电场频率可从300Hz直到微波，但较常用的是13.5MHz。与基于热化学的化学气相淀积（CVD）方法相比，PACVD可以大大降低淀积温度，从而不致使衬底发生相变或变形。例如用CVD方法在硅片上淀积Si3N4膜需要900℃以上高温，而用PACVD方法只要350℃，而且成膜质量高，从而使Si3N4得以成功地用作集成电路钝化膜。PACVD还可以用于磷硅玻璃、非晶材料、超导膜、外延硅、SiC、WSi2以及各种薄膜敏感元件的制备。

PAPVD是基于动量传递的镀膜技术。其基本原理是，在等离子体空间，放电气体的粒子被电场加速轰击阴极靶材料使其原子飞溅出来，淀积在基体材料上形成薄膜。由于溅射的粒子动能可高达1-40eV，所以膜与基体的结合强度要比普通物理气相淀积（PVD）如蒸发镀膜高得多。而且淀积温度低，甚至可在塑料上镀膜。用PAPVD方法可以淀积金属（如Cu、Ag、Au、Ti等），氧化物（如ZnO、SiO2等）、碳化物（如SiC、TiC、TaC等）、氮化物（如AlN、Si3N4、NiN、TaN等）薄膜。此外，还可以对PAPVD设备加设磁控装置，以约束等离子体中带电粒子的运动，从而大大提高淀积速率。

三、利用低温等离子体合成高聚物

等离子体聚合是多分子反应中的原子反应和聚合反应，主要包含等离子态聚合（PSP）和等离子体诱导聚合（PIP）两个方面。二者的区别在于，前者是通过等离子体活化的原子或分子物种的再结合和聚集的高分子化，包括气相反应中间产物的间接聚合过程，而后者是通过等离子体物种作引发剂诱导的链锁聚合过程，是使单体的化学结构不受破坏的表面相的直接聚合。

人们用等离子态聚合技术成功地制备了许多性能特异的亚稳态结构的有机高聚物、硅、氮化硅和有机金属化合物以及这些材料的超薄膜，发展了一种新兴的薄膜制备技术一一等离子体聚合淀积。用这种技术制得的高聚物薄膜有超薄（可达几个纳米）、坚实致密、均匀、无针孔、结构上高度交联、无定形、与基体粘附力强等优点，具有优良的化学、机械、光学和电气性能，可以制成高强度耐磨膜、光学保护膜、电学绝缘膜、反渗透膜、选择性渗透膜等，从而在化工、半导体、微电子学、光学、光纤、激光和太阳能等方面有着十分广泛的应用。

四、结语

等离子体化学是一门新兴的交叉学科，又是一门综合性的技术。国外在这方面的研究较早，目前已有不少等离子体化学专着和会议论文集出版，有些研究成果被用于工业生产并生重大经济效益。

篇7

中图分类号：G642.0 文献标志码：A？摇 文章编号：1674-9324（2013）45-0038-02

目前，高等教育已经从精英教育进入大众化教育时代，科学技术的飞速发展也使知识传授型的教学内容开始向知识拓展型的教学内容转变，学生对知识的渴望也不仅限于书本上考试的内容，他们对相关新技术、新知识的渴望也日趋强烈。目前普通化学的教学内容主要是讲授化学的基础知识，已经不能满足学生对知识深度的需求，也不能跟上化学学科的发展速度[1]。化学在人类生存质量和安全方面都发挥着重要作用，未来也会以新的思路、观念和方式发挥核心科学的作用。现代新技术是化学现代研究的重要方法，在教学内容中将现代检测新技术与化学有机结合起来，使学生不仅知其然，还能知其所以然，了解并掌握现代化学的先进理念和研究方法是非常重要的，这里我们将化学理论和应用中所用到的新技术与普通化学教学内容有机结合，构建出以基础知识为主以相关新技术为辅的多方位拓展式教学内容，其对于提高学生的知识范围、增强学生对新技术的运用和掌握能力、提高思维和素质的协调发展起着至关重要的作用。在绪论中增加了化学研究历史和新技术发展历史紧密相关的部分。化学学科的发展是新技术发展的必然结果，同时也推动了新技术的进一步发展。

一、在热力学部分增加了以下研究技术和方法

利用热力学第一定律来解决化学变化中的热效应问题；利用热力学第二定律来解决指定的化学及物理变化实现的可能性、方向及进行限度问题。热力学函数的测定需要根据不同反应的特点进行有针对性的测定，举例如下。

1.利用电化学性质与热力学之间的关系式比较常见的测定。电子迁移过程和反应的热力学参数常见方法：用精密电导率仪测定有机弱酸溶液在不同温度条件下的电导，通过图解法得出298K时弱酸的解离常数和焓，并计算出电离过程的吉布斯自由能和熵[2]；电化学方法获取纳米材料的热力学函数测得了纳米铜的标准摩尔生成焓、标准摩尔生成吉布斯自由能、标准摩尔熵[3]。

2.固体吸附过程可以利用固体在不同温度下物理吸附氮气的等温线，然后根据热力学原理近似计算出该物理吸附过程的微分吸附热和积分吸附热，然后根据相应的公式计算得到过程吸附体系的内能、焓、熵、吉布斯自由能等热力学函数随吸附量的变化率[4]。

二、在热力学部分增加了以下研究技术和方法

1.动力学中活化能（Ea）是动力学中一个重要的物理量，与反应速度直接相关，对实际的生产有重要的知道意义。可以采用热重分析（TGA）测定热解曲线，用多元线性回归法确定热分解机制函数，然后确定活化能[5]。

2.对于生物的酶催化反应可以利用循环催化流动分析方法（Recirculat ing Catalysis Flow Analysis，RCFA）测定完整动力学曲线，由此求解得到催化反应表观速率常数（k），最后利用阿仑尼乌斯公式求得该催化反应体系的活化能[6]。

3.实验室中一般化学反应活化能和反应速率的测定采用微型化实验进行测定。

三、在电化学部分增加了电化学的世界先进研究成果和这些成果将如何改变我们的生活

学生最为熟悉和感兴趣的电化学知识是与电池相关的内容，电化学工作站是常见的新型电池的研究开发的检测仪器。工作原理是工作电极、参比电极、电解质溶液形成串联电路，在参比电极与工作电极间连接一个电压表，就可以测量出工作电极上的电压变化，计算出工作电极上所带的电量，准确的算出物质的质量等参数[7]。

为了提高学生的学习兴趣给学生介绍了最新的电池方面的研究成果。例如，美国密苏里大学计算机工程系Jae Wan Kwon（权载完）教授的研究组研发出了体积小但电力强的“核电池”[8]。只有一个硬币大小的电池可以让手机不充电使用5000年。美国加州斯坦福大学华裔科学家崔屹参与的研究是将银和碳纳米材料制成的特殊墨水涂在纸张上，成功制成“纸电池”，普通纸张未来或许可以用做轻型电池[9]。

四、在核外电子排布部分增加了最先进的测试

夸克等微观粒子发现等研究方法和先进研究成果，让学生了解到微观世界的奇妙。原子核类似于人类的指纹，如果测量精度足够高，原子核可依据其质量被准确鉴别出来。这类研究归属于原子核物理的范畴。原子核的高精度质量测量最先用的是相对简单的电磁系统原子核质谱仪，近20年来，随着放射性核束装置和实验技术的发展，原子核质谱仪已发展到实验环和潘宁阱等复杂的离子光学系统，质量测量的精度也越来越高。以稳定原子核28Si为例，其质量测量的相对误差从1937年第一次测量的2.1×10-5减小至1995年的7.0×10-11，提高了近6个数量级。除了原子核中的电子、中子和质子还有很多微观粒子，还包括夸克、k-介子等许多基本粒子的更基本的组成单元，可以称为基本粒子动物园。夸克是由美国伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的万亿电子伏特加速器（Tevatron，质子和反质子对撞机）发现的，Tevatron还测定了W玻色子的精确质量、发现了陶中微子以及著名的顶夸克。Tevatron有6.28公里长的圆形加速器轨道由1000多个超导磁铁构成，它们将质子和反质子按相反方向在真空管中加速到光速的99.99999954%，然后在两个5000吨的探测器中对撞，这种接近光速的高能量碰撞产生了大量全新的亚原子粒子，然后很快衰变[10]。

综上所述，在普通化学教学中将新技术、新方法以及先进的研究成果有机的与教学内容相结合，使学生了解新技术对化学发展起到的重要作用。能够扩展学生的知识范围、提高学生对化学学科的兴趣、使学生对化学学科的宽度和广度认识有了提升，全面提高教学质量。

参考文献：

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[8]Wacharasindhu，J.W. Kwon，D. Meier，et al. Radioisotope Microbattery Based on Liquid Semiconductor[J].Journal of Applied Physics Letters，2009，（95）：014103.

篇8

Two Opinions about Chinese National Standard GB 7484-87

CHEN Jian-mei GU Hao

（School of Petrochemical Engineering， Changzhou University， Changzhou Jiangsu 213164，China）

【Abstract】Owing to the sensitive， simple and rapid peculiarities， the fluoride ion-selective electrode method in water quality， waste water， etc has been used extensively. After the publication of Chinese National Standard GB 7484-87， there were also literatures published on the study of this method. Produces different with GB 7484-87 were compiled in the textbooks of the elemental chemistry experiment in universities. It was appeared that there were a lot of works needed to do to accelerate and generalize the application of the above standard. Furthermore there exist some problems of the terms and basic principles about the mentioned standard. For generalizing and accelerating the application of this standard， two opinions were put forward and these would be discussed and deliberated with craft brother academically.

【Key words】Fluoride ion-selective electrode method；Electromotive force of cell；Modified Nernst equation；Equilibrium potential；Steady potential

c0 引言

在水质 、生物化学、医学药物、食品、岩矿、冶金炉渣、废水、大气等环境保护等各领域需要测定氟含量，由于氟离子选择电极法具有灵敏、简单、快速等特点而得到广泛应用。

已经对离子选择电极法测定水中的氟含量进行过较多研究[1-5]，并且入选为高校分析化学教材[6-13]。国外已公布离子选择电极法有关的标准[14-15]，国内也公布过离子选择电极法测定水质中氟化物的国家标准[16]。 虽然标准[16]早己在1987年公布，而且该标准的可操作性和分析结果的可靠性方面都是不错的；但从上列论文及教科书的内容来看，还有不少推广应用工作要做。此外在术语和基本原理方面也存在一些问题，本着促使该标准能更好推广应用的愿望出发，根据百家争鸣的方针，提出两点意见，在学术方面和同行们探讨、商榷并提出相应的建议。

1 标准[16]的原理部分作了如下描述

“根据Nernst方程式，温度在20-25℃之间时，氟离子浓度每改变10倍，电极电位变化58±1mv。①

当氟电极与含氟的试液接触时，电池的电动势E随溶液中氟离子活度变化而改变（遵守Nernst方程）。当溶液的总离子强度为定值且足够时服从关系式（1）：

E = E-（2.303RT /F） logc■ （1）②

E与logc■ 成直接③关系，2.303 RT /F 为该直线的斜率，亦为电极的斜率。

工作电池可表示如下：

Ag|AgCl，Cl-（0.3mol/L），F-（0.001mol/L）|LaF3||试液||外参比电极。④”

从上述原理部分可见其理论基础是Nernst方程，即该测量是满足热力学的平衡条件的。实际上，该标准在 6.5.2节 一次标准加人法中关于结果的计算的式（2）描述如下：

“s――电极的实测斜率。”

上述描述要求s取用电极的实测斜率而不取用Nernst方程理论斜率，说明该工作电池并不完全遵守Nernst方程，而是近似地遵守Nernst方程；也可说明该工作电池并不完全满足热力学的平衡条件。

在测定过程中，采用电极的实测斜率来处理测定数据无疑是正确的。氟离子选择电极的实测斜率和氟电极的质量、制造缺陷和使用历史等有关；因此氟电极也并不完全具备可逆电极的性能。

2 不完全满足Nernst方程的原因

2.1 工作电池的电动势只符合下列修正的Nernst方程

从IUPAC的关于离子选择电极法的文件[14]可知：

工作电池的电动势并不是完全符合理论上的Nernst方程；实际上它只符合下列修正的Nernst方程，该修正的Nernst方程定义为：

E = 常数 + [2.303×R×T/（zA×F）]×lg [aA + kpotA，B （aB）■ + kpotA，C （a■）■ ---]

E――实测得到电池的电动势（mv）

常数――包括指示电极的标准电位、参比电极电位和液接电位等

R――气体常数，等于8.314 J /（K・mol）

T――热力学温度（K）

F――法拉第常数，等于96487 C / mol

aA和aB、aC――相应地代表被测离子A离子活度和干扰离子B离子、C离子活度

kpotA，B――电位选择系数

zA和zB、zC――相应地代表被测离子A和干扰离子B、C的带正、负号的电荷数在修正的Nernst方程中，已将液接电位视为常数项，将此项包含在常数中；在对数项中还包括 I 种干扰离子的电位选择系数（kpotA，I）。各kpotA，I是从实际体系中测定得到，而不是从热力学理论上推导得到。因此修正的Nernst方程具有经验公式的性质。

2.2 教科书[13]给出电池的电动势方程式：

E电池 =？准SCE -？准膜-？准Ag-AgCl +？准氟电极不对称电位 +？准液接电位；

说明工作电池的电动势中还包括不为Nernst方程中所包含的 ？准氟电极不对称电位。如果可能将此项视为常数，则可将它并入修正的Nernst方程中的常数中。由于具有该项的电池不是可逆电池，因此该电池在热力学上并不处于平衡状态。

2.3 Nernst方程中的a■只有在一定条件下，例如在一定的离子强度的稀溶液中、被测离子不形成络离子时，才可视为和 c■成正比。此时a■和c■两项的比例常数才可并入修正的Nernst方程中常数中。

以上三方面说明工作电池不能完全满足热力学的平衡条件。但它可以存在相对稳定的状态，并近似地、有条件地遵守Nernst方程。

3 假定标准[16]中的工作电池遵守Nernst方程，按电池表示式右边为正极、左边为负极的书写规则，上述电池在25℃的电动势（E）可写成：

E = ？准SCE-{？准Ag-AgCl （[Cl-] = 0.3mol・L-1） + ？准膜（0.001-a■）}

= ？准SCE-{？准°Ag-AgCl + 0.532×s + s × lg（0.001/a■）}

= ？准SCE-？准°Ag-AgCl +2.468 s + s × lg a■

令 K'=？准SCE-？准°Ag-AgCl + 2.468 × s，

则有：E = K'+ s × lga■。

标准[16]的注中给出：“待测氟离子浓度c ≤ 10-2mol/L时，活度系数为1，可以用c■代替其活度a■。” ⑤

当溶液的离子强度一定时活度系数一定，E = K+ s × lgc■。（K中包含活度系数）⑥

4 被测工作电池的电动势测定值的性质

标准[16]中在 6.5.2 节一次标准加人法中，有如下的描述：“在不断搅拌下读取平衡电位值E2”，由此可见标准[16]对工作电池认定是可逆电池，而且体系处于平衡状态；因此对被测工作电池的电动势测定值定性为平衡电位。

然而如上所述该工作电池不能完全满足热力学的平衡条件；它只是处于相对的稳定状态，并近似地、有条件地遵守Nernst方程。显然对于一个未处于热力学平衡状态的体系中的电位称之为平衡电位是不恰当的。可能是受到标准[16]的影响，教科书[6-9]也称该电位为平衡电位；但在教科书[10-12]中称之为稳定电位；应该认为称为稳定电位是恰当的。

5 小结

讨论了用离子选择电极法测定水质中氟化物的国家标准[16]在基本原理阐述方面的有关问题。在理论基础方面它不完全遵守Nernst方程，它遵守修正的Nernst方程。由于分析方法在原理方面忽略了很多次要因素的变化影响以及氟离子选择电极的实际情况并不完全符合可逆电极的条件，严格地讲被测定体系并不处于热力学平衡状态；而是处于相对稳定状态。在这种稳定状态下可以近似地适用的Nernst方程。堤出的两点意见是：

1）在标准[16]中工作电池的电动势写作：E=E-（2.303RT/F）logc■是不妥的。建议（在近似的条件下）写作：E = K'+ s × lga■。当溶液的离子强度一定时，E = K+s×lgc■。（式中：K和K'是不同的常数，s为实测得到的电极斜率）

2）对被测工作电池的电动势测定值采用术语“平衡电位”是不妥的，建议采用术语“稳定电位”。

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[15]ASTM D 4127-06 Standard Terminology Used with Ion-Selective Electrodes[S].2006.

[16]GB 7484-87 水质氟化物的测定 离子选择电极法[S].北京：国家环境保护局，1987.

注释：

①根据该标准对测定仪器准确度的要求，温度在20-25℃之间，Nernst方程式斜率应为58.2-59.2 mv.

②标准中等号右边的“E”可能是排版、印刷错误.该“E”应取用不同于E的字符，例如常数K'.

③标准中“接”可能是排版、印刷错误。应为“线”.

④根据工作电池书写规则，工作电池应表示如下：

Ag|AgCl， Cl-（ 0.3mol/L），F-（0.001mol/L） |LaF3|试液外参比电极.

标准中前、后两个“||”可能都是排版、印刷错误.

⑤根据分析测定准确度的要求，活度系数至少应准确至±0.01.未查到该数据的出处.

⑥标准中公式（1） 中s× lg c■一项前为“-”号，它符合氟离子选择电极电位的表示式.在工作电池中，该电极是负极，因此工作电池的电动势的表示式应为：E=K'+s × lg c■.

篇9

化学平衡和相平衡是热力学的基本应用，学生通常会在学习这部分内容的时候意识到物理化学和药学的密切联系，作为教师，应该有意识的引导和帮助学生建立和掌握这种联系，为此，在教学中，我们通常选择以现实中存在的药物合成反应为例子，向学生讲解相关公式的应用，而在相平衡中，我们在理论教学的同时，还会向学生解释冷冻干燥技术、超临界二氧化碳萃取、水蒸气蒸馏等相关药物提取技术，特别是在学元相图时，我们会引导学生思考，低共熔点的存在，对于药物剂型设计有何影响，如何利用和避免这种影响，并向学生展示其具体应用。相比化学热力学，化学动力学与药学的关系更加明显[4]，其基本理论在药物稳定性、药物体内代谢等方面具有显而易见的应用，在教学中，我们强化了这种联系，通过设计习题，以具体药物的代谢速率、药物贮存期预测等相关案例为载体，让学生亲自动手应用动力学理论，解决专业问题，这一方面有利于学生对于物理化学基本知识的掌握，也有利于学生后续相关课程的学习，采用这种以专业需求为导向的教学方法，能够明显的提高教学效果。同样的，在讲授表面化学、胶体化学部分内容时，我们也以满足专业需求为出发点调整了相关教学内容。根据我校药学专业培养计划，在讲授这部分内容时，学生已经开始了药剂学课程的学习，部分知识学生其实已经有所了解，比如表面张力、表面活性剂等内容，为避免重复，在授课时，我们更加侧重于在理论的高度去分析、解释相关的内容，这样会更加有助于学生对已学知识的理解与掌握。

2结合学生实际，改革教学方法

教学过程是一个师生之间互动的过程，目的是使学生掌握所传授的知识，然而，不同学生的学习基础不同，对知识的理解、领悟能力也有所差别，因此需要教师根据学生的实际情况，灵活的把握教学内容和教学方法。笔者所在学校为地方本科院校，学生数理基础较差，抽象思维能力不足，对公式繁多、逻辑性强的物理化学课程有明显的畏难情绪，有较多的学生认识不到物理化学与药学专业的联系，因此学习兴趣和积极性不高，同时，学校有大专和本科两个不同层次，不同层次的学生知识基础和学习能力有所差别，对于物理化学课程的要求也有所不同，这些具体的现状，既是我们在教学中所面临的困难，也是我们把握教学内容和教学方法的重要依据。

针对这些现状，我们灵活选择教学方法；提高教学效果。比如：采用案例分析法、问题引入法等教学方法，通过展示具体的药学或生活实践案例，引出其背后隐藏的物理化学原理，通过理论联系实际，启发学生思考，加强学生对于理论知识的掌握。比如，在讲解动力学部分时，分析药物在人体内的吸收、代谢过程，分析其动力学特性对于药物剂型设计的影响。活用讲授法这一基础教学方法，对教学内容有所取舍，以适应学生实际情况和专业需求。对于物理化学繁多的公式，讲授时可以弱化公式的推导过程，对于专科生则可以完全取消公式推导的讲解，转而强调公式的应用条件，并通过习题的方式，帮助学生掌握其具体应用。熟练和合理使用多媒体技术。多媒体技术的出现，让教学过程变得更加灵活有效，方便快捷，通过图像、视频，学生可以对知识有更加直观的体会。比如，在学习固体的润湿这部分内容时，通过展示大量丰富的相关图像和视频，比如，原油泄漏环境中的海鸟、“魔法砂”的神奇现象、荷叶上的水滴等，教师可以灵活的让学生理解教学内容，并用理论对这些现象进行分析，既有利于知识的掌握，又活跃了课堂氛围。

3以应用为导向，重视实验教学

篇10

合成甲醇是煤化工技术在能源转换背景下研究开发的，其宗旨是以水煤气为原料，扩大炭资源的使用范围，缓和石油危机。随着天然气资源的大量开发，加之天然气转换合成气技术日益成熟，使以天然气为原料经合成气合成的甲醇比以煤炭为原料经合成气合成的甲醇在市场上更具竞争力。因此在合成甲醇的原料中，用得最多的是天然气。70年代，大型甲醇厂均以天然气为合成甲醇的原料。但是到80年代末，随着生产规模的日益扩大，以煤合成甲醇的成本大幅度降低，与天然气合成甲醇相当，所以在近几年来又有回到煤合成甲醇的趋势，预计未来甲醇合成工业仍以煤炭资源为主。

一、氯甲烷水解

在常压、温度为573～620K 的操作条件下，氯甲烷在碱性溶液中可以水解制取甲醇。

氯甲烷的转化率为98%，甲醇得率为67%。该工艺虽然简单，同时又是令人所期望的常压操作，甲醇产率和氯甲醇的转化率也比较理想，但是迄今为止此法尚未得到工业应用。其原因是氯甲烷是以氯化钙的形式损失，成本太高。尽管如此，这还是实验室制备甲醇的一种常用方法。

二、甲烷氧化工艺

甲烷可以直接氧化合成甲醇， 在热力学上是可行的， 分为催化选择性氧化和非催化氧化两种方法。

1.催化氧化法

目前催化氧化的工艺技术是基于天然气蒸汽转化即部分氧化成甲醇后再部分氧化成合成气。但是，由于活化甲烷分子比较困难，所以氧化甲烷的条件很苛刻。鉴于甲烷氧化为甲醇后又极容易再度氧化成二氧化碳和氢气，所以从热力学上考虑，目的产物甲醇是不稳定的。因此，选择甲烷氧化制甲醇的催化剂必须具备高的选择性，同时又具有较好的稳定性[1]。一般的催化剂随温度的升高，甲烷的转化率升高，而甲醇的选择性则降低。典型的较理想的催化剂的转化率只有5%，甲醇的选择性只有50%，其他产物主要是甲醛、甲酸，约占40%。

2.间接氧化法

甲烷无催化剂直接选择氧化制甲醇的研究始于1980年，Francis[4]Michael[5]等人作了大量的工作，他们在1992年分别各自研究了没有催化剂存在条件下，如何控制甲烷部分氧化成甲醇。他们认为，该法能够大量降低投资和能耗，但控制条件较为苛刻。原料中不宜存在某些烃类，否则将降低转化率，氧含量宜在8%左右，过小则转化率降低，过大则氧化过度，操作条件在644～755K，9Mpa，宜采用小直径反应器。所得甲醇收率（摩尔分数）为217%， Hunter 等人在温度为723K、6MPa的压力操作条件下，所得收率（摩尔分数），可达8～9%。据报道经济可行的转化率（摩尔分数）为10～15%。

三、生物催化氧化法

除了甲烷选择控制催化制取甲醇外，国内中科院兰化所尉迟力[8]等对甲烷生物催化氧化制甲醇进行了研究，据报道加氧酶的活性可为1kg酶1h生产2.02kg甲醇。他认为，由于大部分甲醇被甲醇脱氢酶继续氧化、代谢掉，寻找更好的抑制甲醇继续氧化的抑制剂，提高酶稳定性减少，酶活性的损失是甲烷生物催化氧化制甲醇的关键。

四、煤、气、油综合利用工艺

采用煤气化、天然气转化、渣油裂解（DCC）装置的副产气（CH4和H2 ）作为生产甲醇的原料，经成分配比后生产甲醇，实现了原料的优势互补，多种能源的综合利用，达到了循环经济的目的。

五、CO2 加氢工艺

近年来，CO2 加氢制取甲醇引起了各国科学家的兴趣，成为甲醇合成的一个新的研究方向。环境问题日益引起人们的警惕，据悉全世界大约每年向大气排放35亿t的CO2 （以每年消耗10亿t标准煤计算），CO2 引起的温室效应，已经影响到全世界的气候变化。欧共体、 日本等1990年在135个国家和地区参加的会议上承诺控制和减CO2 的排放量，美国答应每年提供7500万美元用于CO2 综合开发和利用[9]。用CO2 制取甲醇便成为甲醇合成的新课题，尤其是近年来连续发现CO2 大气田以及CO2 矿源，把这一课题又赋予新的意义。

由于二氧化碳的惰性以及热力学上的不利因素，使用二氧化碳难以活化还原，一般催化剂都存在甲醇选择性不高、 CO2 转化率低的不足。开发新型催化剂， 提高催化剂的活性和甲醇选择性是目前O2 加氢制甲醇的研究重点。

不少学者对这一课题进行了大量的实验研究，取得了可喜的成就，到目前为止已经有了中试装置。例如， 80年代初，HolderTopsUe公司利用炼油厂的废气中的H2 和CO2 直接合成甲醇，开发了一种CO2 加氢催化剂，仍以Cu-Zn为主，已完成中试。实验结果表明，在280e、120MPa的操作条件下，将H2 、CO2 通过催化剂绝热反应即可得到燃料用的或有机合成用的甲醇，还有醚、酯等少量副产物。东京瓦斯公司古田博贵等人用 CO2 和H2 在Cu-Zn-Al催化剂上合成甲醇，压力3～9Mpa，温度250～300e，空速5200～14000h-1，原料气中H2与CO2 的摩尔比为3～416，CO2 转化率为20%。

篇11

孙益民教授是恢复高考制度后首届大学生，就读于安徽师范大学化学系，毕业后的第一份工作是在母校的化学系物理化学教研室从事《物理化学》等专业课的教学工作，第二年起担任了化学系的实验室主任一职。

孙益民教授兢兢业业，教学和科研工作两手抓，两方面都作出了突出成绩。由于精湛的专业技术和深厚的学术功底，1987年国家教委将他派往到四川外国语学院学习，随后前往瑞典皇家工学院物理化学系学习，从事计算机在物理化学、物理化学分析、化学工程教学与研究应用的课题研究。在瑞典学习期间，进行了包括红外、紫外可见光谱、质谱、核磁共振、X射线、化学分析电子能谱等多项内容在内的波谱学及波谱仪器的使用维修理论和技术研究工作，均取得了优异的成绩。

回国之后的孙益民教授返回母校工作，担任化学系物理化学教研室的讲师、副教授，从事多门课程的教学事务，同时还承担了学校的多个科研项目，与此同时，他也没有停下自己在科研道路上不断求索进取的脚步。自1994年起他在北京科技大学物理化学系攻读工学博士学位，研究方向是“稀土金属卤化物相图计算与模式识别评估”，在此期间参与了两项国家重点自然科学基金研究项目，其中“冶金物理化学若干前沿问题探讨”为重大项目，同时还在“无铅焊料研究”课题项目中担任了神经网络计算焊料的表面张力研究工作。

1996年至1998年，孙益民再次出国深造，就读于加拿大蒙特利尔大学工学院，主要攻读方向为材料热力学研究。1998年10月份返回北京科技大学，就读于冶金学院，1999年6月份以优异成绩通过了博士论文答辩，之后回到安徽师范大学，历任有机化学研究所所长、化学与材料科学学院科研副院长、教授、博导等专业技术职务。

回首孙教授的求学历程，扎实的学术功底和严谨的治学精神为他今时今日取得的成就奠定了坚实的基础。

用心培育人才

孙益民教授在国内外的权威学术刊物上发表了数十篇各类学术论文，在材料科学、物理化学、稀有金属有机化合物物理性质研究、超临界流体提取技术系统研究等多个专业领域均有不凡的建树，但是谈及自己，他对自己的身份定位始终有着“大学教授”这一项，教书育人、为国家培养科技人才既是梦想，也是他从未曾偏离的坚持。

早在上世纪80年代大学毕业初期，那个时代的大学生是时代的骄傲、社会各行业都紧缺的人才，孙教授就已经选择了留校任教，从事紧张繁重的科研实验工作的同时还担任了化学系“物理化学”和“物理化学实验”等课程的教学工作。

在瑞典皇家工学院学成归国之后，回到安徽师范大学的孙益民作为科研中坚力量承担起多个纵向和横向研究项目，同时他依然没有放松教学工作，担任了“化工仪表自动化”、“分析仪器使用及维修”，用英文开设“物理化学”等多门课程的教学工作。

虽然因为继续求学的原因，孙益民有五年时间分别在北京科技大学和加拿大蒙特利尔大学度过，取得博士学位回到安徽师范大学后的他研究工作更加繁忙、研究任务也更重，但是教学工作始终在他的工作当中占了相当的比重。他坚持在教学的第一线培养青年一代的科技工作者，在化学与材料科学学院先后担任研究生导师和博士生导师，多年来，已经为祖国培养出了多位在化学与材料科学领域学有所长的青年人才。

研究硕果累累

孙益民教授的研究方向包括了材料热力学的优化与计算、天然产物提取的物理化学机制研究、金属有机化合物物理性质计算的应用研究、多组分共存物系浓度同时测定计算应用研究、相图模式识别构筑、新型结构材料改性研究、微波法制备纳米材料、熔盐化学与技术、中药现代化研究、农作物脱农残研究、医用复合材料研究、生物质杀菌剂研究、超临界流体提取有效成分群工艺系统研究、活性炭绿色生产工艺、重金属同时检测及脱除、农药残留快速同时测定、大米脱农残研究等多个领域的项目，2010年提出室温（常温）沥青概念，为节能减排二氧化碳做出贡献。

研究项目当中，其中有国家自然科学基金研究项目和安徽省自然科学基金项目以及高校自然科学基金项目，不少已经获得了发明专利或实用新型专利，其中的医用复合材料已经开始了有规模的产业化生产。

累累的研究硕果为孙益民教授赢得了荣誉，先后获得北京市科学技术进步二等奖，中国高校科学技术进步二等奖以及安徽省教育厅优秀教学成果奖等多个科研和教学奖项。

工业技术优化

孙益民教授集三十年从事高等教育经验，二十多年的科研经历以及十多年的工业实践，在数据采掘、神经网络应用、非线性科学、材料计算设计等领域的探究，以及在化学化工领域、工业技术等方面积累的经验知识，在21世纪初自主研发了多因素多水平多目标可视化分析m³VA方法。可以较为有效地解决实验科学和工业技术优化的“多因素多水平多目标问题(m³)”这一世界性难题。2005年起被联合国经济及社会理事会聘为谘商专家，谘商领域为材料科学、天然产物科学、物理化学、计算化学。

M3VA方法在多个工业技术领域方面得到了成功应用，确实解决了很多困扰各类企业的技术难题。如常温沥青、沥青混料研究、高分子材料改性研究、中医骨伤外固定材料、大米脱农残、超临界二氧化碳提取植物有效成分群系统研究、化工工艺优化、多元物质混合焓神经网络模型研究、重金属同时测定研究等多个工业领域中的问题。孙益民教授多次出访美国、加拿大，2011年1月又随安徽省新能源团去德国进行技术学习交流。在国内，孙益民教授一直坚持免费为企业提供工艺优化设计。

篇12

 

1 引 言

碳酸二甲酯(简称DMC)是近年来发展迅速的一种新型绿色化工产品，是一种十分有用的有机合成中间体和性能优良的汽油添加剂[1]。近年来对其生产工艺条件的研究报道很多，但是由于碳酸二甲酯的单程转化率比较低，其中酯交换法的反应精馏工艺是研究开发的主要方向。其反应条件温和而且生产工艺无污染、对环境友好，是目前合成碳酸二甲酯的先进生产方法之一[2]。由于反应与精馏在同一塔内同时进行，相互之间的影响十分复杂，操作条件和设备参数的微小变化，对操作规律都会产生很大的影响，目前人们对反应精馏规律的认识不是很充分[3]，有待于进一步的研究。这就使反应精馏过程的设计、放大、操作性能和控制方案的研究等方面均存在一定的难度。目前报道用计算机模拟此生产过程的文献较少非平衡级模型，因此用数学模拟的方法，对这种生产过程进行模拟分析，深入探讨反应精馏过程的生产规律是非常必要的。

2 反应精馏过程的非平衡级模型描述

模型的推导基于如下假设：每一级系统处于热力学平衡状态，即；气相在达到上一级前完全混合，液相为全混流；

相界面上无质量和能量累积，气液相只在相界面处达到平衡，在级内各点，传递系数相等，反应速率数值相同；过程处于稳态操作；反应只发生在液相，气相无反应。

全塔共有N＋1块板，冷凝器为第0块板，再沸器为第N块板，塔内共有C个组分。非平衡级模型示意图如图1所示核心期刊目录。

图1非平衡级示意图

2.1物料衡算方程

总物料：

(j=1,2,…,N-1) （1）

（j=0）　（2）

（j=N） 　 （3）

各组分物料：

气相：

（4）

液相：

（5）

式中：对反应物，生成物，对惰性组分, i=1,…,C,j=1,2,…,N-1。

（j=0） （6）

（j=N） （7）

2.2热量衡算方程

气相；

（8）

液相：

（9）

根据Taylor[4]等对普通精馏的模拟计算结果，假设气液两相处于热平衡状态是合理的。据此，本反应精馏模型中假设气液两相达热平衡，以简化计算。简化结果是用板上总焓衡算方程

(j=1,2,…,N-1)（10）

代替（8）（9）两式。

（j=0）（11）

（j=N）（12）

2.3气液相界面处平衡方程

相平衡方程：（13）(i=1,…,C；j=0,1,…,N)

质量平衡方程：（14）

(i=1,…,C；j=1,2,…,N-1)

2.4归一方程

（15）

（16）

(j=0,1,…,N)

2.5传质速率方程

气相： （17）

液相： （18）

(i=1,…,C；j=1,2,…,N-1)

2.6反应速率方程

采用文献[2]中的动力学方程计算反应速率。反应方程式如下：

（19）

每级上的反应量：，其中为持液量。

上述方程组合一起构成了反应精馏全过程非平衡级模拟的数学模型。

3自由度分析

自由度分析见表1、表2所示。由表1和表2可知全塔模型方程自由度为2CN＋4N－2C。本文选择的设计变量分别为：气液相进料流量、组成、温度；气液相侧线采出量；回流比；塔顶采出量；再沸器和冷凝器的热负荷。

表1 全塔变量数分析

 

变量名

变量数

变量名

变量数

N+1

N+1

N-1

N-1

C(N+1)

C(N+1)

C(N-1)

C(N-1)

N-1

N-1

(C-1)(N-1)

(C-1)(N-1)

N-1

N-1

N-1

N-1

C(N-1)

C(N-1)

N+1

NF

1

1

1