化工专业毕业论文开题报告范文
1.引言
中国有82%的人饮用浅井和江河水，其中水质污染严惩细菌超过卫生标准的占了75%，受到有机物污染的饮用水人口约1.6亿。长期以来，人们一直认为自来水是安全卫生的。但是，因为水污染，如今的自来水已不能算是卫生的了。一项调查显示，在全世界自来水中，测出的化学污染物有2221种之多，其中有些确认为致癌物或促癌物。从自来水的饮用标准看，中国尚处于较低水平，自来水目前仅能采用沉淀、过滤、加氯消毒等方法，将江河水或地下水简单加工成可饮用水。自来水加氯可有效杀除病菌，同时也会产生较多的卤代烃化合物，这些含氯有机物的含量成倍增加，是引起人类患各种胃肠癌的最大根源。目前，城市污染的成分十分复杂，受污染的水域中除重金属外，还含有甚多农药、化肥、洗涤剂等有害残留物，即使是把自来水煮沸了，上述残留物仍驱之不去，而煮沸水中增加了有害物的浓度，降低了有益于人体健康的溶解氧的含量，而且也使亚硝酸盐与三氯甲烷等致癌物增加，因此，饮用开水的安全系数也是不高的。据最新资料透露，目前中国主要大城市只有23%的居民饮用水符合卫生标准，小城镇和农村饮用水合格率更低。水污染防治当务之急，应确保饮用水合格。为此应加大水污染监控力度，设立供水水源地保护区。母亲河黄河1972年第一次断流，1997年断流226天，近700公里河床干涸。海河300条支流，无河不干，无河不臭。华北地下水严重超采，形成面积7万多平方公里的世界上最大的地下水漏斗区，地面下沉，海水入侵。全国668个城市中，有400多个供水不足，100多个严重缺水。上世纪九十年代末以来，土地沙化速度上升到每年3400多平方公里。
更可怕的是，中国水资源总量还在下降。1997年总量为27855亿立方米，而2004年就降到24130亿立方米。从上世纪50年代以来，长江上游20多条河流平均萎缩了37.1%。世界自然基金会3月19日发表报告，将长度与水量均为世界第三的长江列入世界面临干涸的10条大河之一。水体污染影响工业生产、增大设备腐蚀、影响产品质量，甚至使生产不能进行下去。水的污染，又影响人民生活，破坏生态，直接危害人的健康，损害很大。目前，人们已意识到不能以破坏生态环境来发展经济，这样的代价太大了。中国已提出社会经济可持续发展和保护人民的身体健康的战略，对整治水域污染采取了一系列强有力的措施。
水污染处理有三种方法：物理法、化学法、生物降解法。
物理法：废水处理方法的选择取决于废水中污染物的性质、组成、状态及对水质的要求。一般废水的处理方法大致可分为物理法、化学法及生物法三大类。
利用物理作用处理、分离和回收废水中的污染物。例如用沉淀法除去水中相对密度大于1的悬浮颗粒的同时回收这些颗粒物;浮选法(或气浮法)可除去乳状油滴或相对密度近于1的悬浮物;过滤法可除去水中的悬浮颗粒;蒸发法用于浓缩废水中不挥发性的可溶性物质等[2]。
化学法：利用化学反应或物理化学作用回收可溶性废物或胶体物质，例如，中和法用于中和酸性或碱性废水;萃取法利用可溶性废物在两相中溶解度不同的“分配”，回收酚类、重金属等;氧化还原法用来除去废水中还原性或氧化性污染物，杀灭天然水体中的病原菌等[2]。
生物法：利用微生物的生化作用处理污水中的.有机物。例如，生物过滤法和活性污泥法用来处理生活污水或有机生产污水，使有机物转化降解成无机盐而得到净化[2]。
长期以来污水多采用活性污泥法处理，也是世界各国应用最广泛的一种生物处理流程，具有处理能力高，出水水质好的优点。
2.课题名称、专业年级、学生、指导老师
课题名称：三价盐氯化铝对活性污泥降解性能的影响
专业年级：××××级应用化工技术
成 员：×××
指导老师：×××
3.课题内容
①活性污泥的培养
实验室活性污泥培养是利用间歇培养的方法，利用曝气装置向活性污泥曝气，即闷曝，只是通入氧气，隔一段时间进行静置沉淀一小时，然后换水，要加入适量养料培养，如此反复，维持实验所需的活性污泥的浓度。
②三价盐氯化铝对活性污泥降解性能研究方法
水体质量的判断主要是依靠某些指标来表示，包括DO，COD，BOD等。其中COD是“化学需氧量(chemical oxygen demand)”的英文缩写，是反映水体中还原性污染物(包括有机的和无机的还原性物质)的指标。这里就采用COD指标来表示。COD的测定方法有很多种。参照大量文献最总总结出一种测定方法，即往试样中加入已知量的重铬酸钾溶液，在强酸介质中，以硫酸银作为催化剂，经高温消解后，用分光光度法测定COD值。当试样中COD值为100mg/L至1000mg/L，在60020纳米波长处测定重铬酸钾被还原产生的三价铬离子的吸光度，试样中COD值与三价铬离子的吸光度的增加值成正比例关系，将三价铬离子的吸光度换算成COD的值。当试样中COD值为15mg/L至250mg/L，在440±20纳米的波长处测定重铬酸钾未被还原的六价铬离子和被还原产生的三价铬离子两种铬离子的总吸光度;试样中COD值与六价铬离子的吸光度的减少值成正比，和三价铬离子的吸光度的增加值成正比，将总吸光度换算成COD值[3-8]。
配置不同浓度的三价盐氯化铝水样，在回流装置中加热，沸腾一小时后，放入锥形瓶中冷却，而后加入指示剂用而配置好的已知浓度的硫酸亚铁铵标准溶液进行滴定，记录数据。再重复上述操作，从而研究三价盐氯化铝对活性污泥降解性能的影响。
③验证
通过实验数据，作出不同浓度氯化铝水样的COD值随时间的变化曲线，从而分析三价盐氯化铝对活性污泥降解性能是否有影响。
4.本课题的目的、意义
随着社会的发展，造纸、化工行业都排放大量的工业废水。含重金属的废水污染环境，破坏生态平衡，影响动植物生长，严重危害人类健康。因此，国内外学者都在积极探索和研究一种高效的降解活性污泥的方法。
本文主要研究了废水中不同浓度的氯化铝对活性污泥降解性能的影响，通过测定污泥处理前后工业污水的COD值，研究不同浓度驯化下的活性污泥的生长及对有机物的降解情况，为进一步推广活性污泥在工业中的应用提供有力的数据支持[9]。
5.拟使用的主要试剂和仪器
①试剂：
无水氯化铝(分析纯)、六水合硫酸亚铁铵(分析纯)、重铬酸钾(优级纯)、浓硫酸(分析纯)、硫酸汞(分析纯)、硫酸银(分析纯)、葡萄糖(优级纯)(50g/L)、1，10-邻菲罗琳、蒸馏水等。
②仪器：
智能恒温电热套、鼓泡机、托盘天平、电子天平、圆底烧瓶(250mL)、空气冷凝管、小烧杯(50mL)、量筒(100mL)、量筒(10mL)、量筒(5mL)、锥形瓶(250mL)、离心机等。
6.预期目标
影响活性污泥活性的因素有很多，而本实验只研究不同浓度的氯化铝对活性污泥降解能力是否有影响，因此我们选氯化铝为研究对象，测定污泥处理前后污水的COD值，研究不同浓度氯化铝驯化下的活性污泥的生长及对有机物的降解情况，可以给对于活性污泥降解能力的研究提供一个客观的数据支持，另外在课题实验中还要最大可能的排除氯离子的影响，以达到一个客观准确的测量结果。
7.阶段性工作
第4～5周 文献查阅。
第6周 完成开题报告及文献综述，制定实验方案。
第7周 准备实验室，领取仪器和药品，配制所需试剂。
第8～14周 按实验方案完成实验，同时总结试验过程中的不足，以及实验过程中的现象和结论，记录并处理数据。
第15～16周 整理数据，制表画图，撰写毕业论文。
第17周 论文答辩
参考文献
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[7] 肖肖，陈英姿.BOD5测定的影响因素分析[J].化学工程与装备，2009，9:176-177.
[8] 王锐刚.活性污泥法除磷动力学研究[D].中国矿业大学环测学院，2009:9-11.
[9] 徐航.COD重铬酸钾分析法相关问题的探讨[J].化学工程与装备，2010，6: 171-172.
随着现代工业的迅速发展，机械也越来越受到人们的关注，成为重要的研究课题之一。下面是由我整理的机械专业学术论文，谢谢你的阅读。
机械专业学术论文篇一
机械制造中的机械设计技术分析
[摘 要]随着社会的发展，生活和生产方式也发生了重大的变化。在机械设计与制造方面，工作技术也在不断的提高。机械设计与机械制造是密不可分的，机械设计其实为机械制造提供了理论，是机械制造的前提。机械制造在设计好的机械方案的基础上进行具体的实践与制造。但是无论在哪一个方面，技术是关键，特别是机械设计中要体现和应用的技术。
[关键词]机械制造 机械设计 技术分析
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2015)36-0091-01
一、 机械设计的基本认识
1.1机械设计的现状
机械设计伴随着社会生产力的发展逐渐走进生产活动中，给生产活动提供了科学的理论基础。在传统的机械制造过程中，机械设计人员根据原来的机械原理，按照传统的方式进行产品设计，并且是通过简单的设计构图和静态的计算分析得到方案数据的，这样一来，设计所需要的数据可能缺乏准确性，可能对机械制造工作带来不必要的麻烦。相对传统的设计理念来讲，采用增强安全性的机械设计方法是比较可靠的，但是它也具有一定的弊端。另外，科学技术的发展也为机械设计工作带来了科技化的成果，大大克服了之前传统方式设计的弊端。在产品开发周期、工作效率等方面得到了很大的提高，设计所需要的数据更加精确，设计水平大大提高，得到了社会上的广泛认同，机械设计的成果更加显著。
1.2 我国机械设计的特点
1.2.1应用广泛性
伴随着我国科学技术的快速发展，先进的机械制造技术在机械制造中是越来越重要，更是得到了广泛的应用。任何机械制造都离不开技术的支持，设计与技术的结合更给生产工作提供了强大的后盾。
1.2.2创新性强
在机械设计与机械制造过程中，任何技术与设备都需要进行不断的更新和创造。机械设计方面，所谓创新是指在原有的优秀技术的基础上，运用更加先进的技术作为发展动力，不断学习不断进取，通过更多的知识来填补现有工作中的不足，通过创新和发展，致力于将机械设计方案做的更好，为机械制造提供更好的设计方案，提高机械化水平。
1.2.3针对性市场广泛
在当今社会，任何产业的发展大多都离不开机械的辅助，机械在各行各业中的应用广泛带动了针对性市场的广泛性。机械产品可能涉及到餐饮行业、零部件加工行业等方面。而现今的机械设计也出现在各行各业，机械设计针对的市场对象广泛，满足了当今市场竞争的要求，同时也增强了市场竞争力，为机械设计与制造行业带来广阔的发展前景。
1.3 我国机械制造技术的发展方向分析
我国的机械制造技术现如今也在逐渐走向高端，结合以往经验总结可以发现，机械设计技术发展方向主要有三大类的方向可循：第一方向就是机械制造的管理，即健全规范的计算机管理制度，所以我国机械制造业要注重设计方向，更应该加强对机械制造技术的计算机管理;在近年来的设计技术发展站过程中，会发现机械制造的设计现代的机械产品的设计要求越来越要求智能化的实现，如相关的设计软件以及虚拟的设计技术的出现，这些虚拟软件将机械产品进行模拟设计，其实验结果可以通过高科技的方式显示，比如计算机软件的荧屏显示，数据报告等;接下来，机械制造的工艺越来越成熟，逐渐向精细加工高精密加工等技术方向发展，机械设计技术更加贴近细节。
二、机械制造中的机械设计技术分析
2.1 对机械设计方案的分析
机械设计的设计方案是设计中的关键，绝对影响着机械设计成品的实际效果与水平。在设计方案的过程中，许多细小的问题需要耐心发现并解决。尤其要注意的是，理论和实际实践是否能够有效的结合在一起，在实际操作过程中是否能够实施等问题。机械设计所设计的方案应该要考虑两方面的要求。一是要能够满足机器自身的基本性能和功能要求，二还要考虑工作者是否能够有效操作，工作人员是否能够掌握机器、是否熟悉操作流程等问题。机械设计的设计方案的主要设计步骤包括以下几个方面：
2.2 机械设计的主要技术设计分析
在机械设计的主要技术设计过程中，主要设计是占到重要地位的。在机械设计的主要技术设计阶段，首先要对设计图纸进行认真的核查，并且要细心认真对设计图纸中的数据进行分析，通过计算等方式实现数据的汇总。还有值得注意的是要对总图与部分图进行精心的对比分析，保证总图与部分图的统一。其次，要严格审核机械设计的主要技术设计的每个部分环节，保证设计质量，避免制造中不必要的麻烦。如果在实验过程中发现问题，就应该及时对每个环节进行重新校对。
2.3 机械设计的技术发展方向探讨
2.3.1智能化
现代机械产品的机械设计发展方向发生了极大的改变，发展方向更加多样化，这样给机械设计带来了更多可能性的同时也增加了难度。因为机械设计质量要求在不断提高，而机械设计在如今的高科技化趋势中抓住了机遇，为新技术的发展和创造提供了良好的环境。并且不得不承认，在当今的科技形势中，智能化逐渐成为现代的机械产品的设计一个重要发展方向。智能化的产品增强了产品的性能、产品精美的结构等相关功能，并且提高机械设计的质量与水平。
2.3.2系统化
系统化也是现代机械产品发展方向之一，现代化的机械产品设计越来越注重系统化，在设计过程中通过系统化实现各个部分的优化，将各个部分有效的整合在一起，实现设计产品的整体效能的提高。
2.3.3模块化
除了智能化与系统化的倾向之外，现代的机械产品的设计要求也体现出倾向于模块化的特征。相比较而言，模块化的设计思路比较清晰敏捷，在完成机械性能与功能的结合方面优势是比较突出的，从而在很大程度上提升了产品的整体优势，能够最佳的完成机械设计方案的要求。
2.4未来机械设计设想
2.4.1机械设计人员设计理念
伴随着人们的生活质量的提高，机械设计的要求也在提高，工作人员的意识也要更加为人们的生产着想，本着更加“贴近生活、注重细节”的理念设计出更好的产品。因此，要求机械产品设计人员在进行设计时要特别重视机械产品设计的性能、质量等问题，为产品质量做好保障。
2.4.2机械设计的市场
现代机械产品在市场竞争中要占有优势，设计技术机械产品的设计就要将生产的最终目的视为各类市场。在当今的市场竞争趋势中，设计人员要积极开发和创新设计理论，运用创新精神和先进的科学技术，研究出机械产品的新技术与新功能，从而提高机械产品质量，实现能够在市场竞争中更占优势。针对各类市场进行多样的设计，占领市场才能有利润和发展前景。通过提升产品的市场竞争力来让适应当今市场经济的竞争趋势。
2.4.3与时代相关
现代机械产品也要和时代要求相结合。比如，节能环保的绿色设计理念等新式健康理念等。近年来，绿色环保不断成为各行各业发展的主题，环保意识更是深入人心。如今生活中，处处可见低碳生活的影子，绿色产品也不断进入市场，并且受到大家的欢迎。所以机械设计也能结合低碳消耗、绿色生产等进行设计，更好实现其理念价值。
三、结语
本文主要对机械制造中的机械设计进行分析，对机械设计的特点以及设计过程中应注意的问题进行探究，结合未来发展趋势提出部分见解，为机械设计提供更多的意见。
参考文献：
[1] 王宝香.机械设计与机械制造的技术分析[J].煤炭技术，2013-04-12.
[2] 王晓晨.浅析机械设计与机械制造技术[J].科技创新与应用，2014-08-11.
机械专业学术论文篇二
机械设计与机械制造技术
摘要：现代设计的特点是面向市场和用户的设计，现代设计不仅要实现产品的基本功能，更应体现人性化和环境保护的设计理念。同时，我国近年来机械设计制造技术得到了长足的发展，但是，与传统工业发达国家相比，我们还存在着十分明显的差距。由于技术、管理、投入不足等多方面的的因素，我国的制造业正承受着国际市场的巨大压力。本文就此阐述机械设计与机械制造的技术。
关键词：机械设计 机械制造 技术
引言
机械设计制造技术是衡量一个国家科技发展水平的重要标志。随着科技的发展，计算机网络技术的普及，机械设计方法已经有了实质性改变，科技新成果，不断丰富着机械设计的思想、理论以及方法，不断促进了机械设计发展和变革。在我国，机械制造技术经过多年的发展取得了极大的进步，但是相比较国外一些发达国家而言，还存在着一定的差距。不断地完善机械设计与加强机械制造技术，是保证我国机械制走向世界领先水平的前提条件。
1. 当前机械制造业设计的方法及内容
当前机械制造业设计方法是在对过去传统的机械设计理念进行深刻反思的基础上，综合运用现代化的设计技术手段实施的相应机械设计，可以概括为以下三个方面主要内容。
1.1 数字化成为当前机械设计的核心特点
随着科技的进步，尤其是数字化技术的高速发展，在机械设计进行之前久能够围绕整个设计生命周期进行相应的建模工作。同时可以充分利用计算机技术进行模拟设计，并对产品设计的整个生命周期进行过程模拟，给实际机械设计提供最佳的参考素材。在设计当中，还能够综合运用大量的数字化的设计技术及方法，广泛应用计算机辅助设计以及数字管理手段对全部设计的过程进行科学管理，确保资源配置最优化、设计效率最大化。
1.2 并行化成为当前机械设计的最大趋势
依托计算机支持，机械制造设计团队能够实现更多信息的共享，从而打破了时间和空间阻隔障碍。不同地区的机械设计工作者能够在同一平台下实现协同设计工作。在机械设计的过程中能够更多地赢得技术方面的支持和帮助，实现各种优势的互助互补，不断提高设计能力和设计水平。而过去传统的机械设计往往是单方面串行的设计，每项产品均需要实施分步骤设计，在一个设计步骤完成后，才能够进行下一个步骤的设计，设计资源利用度不高。此外在设计过程中各个设计环节也缺少必要的沟通手段，无法对设计中发现的问题在第一时间进行修正，使机械设计的开发周期变得更长，并增加了设计人员的工作量。随着当前机械大型化、综合化的发展，各种机械的构造及功能都变得更加多样和复杂，机械设计开发初期确立的思路对于后期影响较大，由于设计过程比较复杂，如果前期的设计思路一旦出现纰漏，那么将很难进行及时的修正。
1.3 智能化成为当前机械设计的迫切要求
随着自动化技术在机械设计领域的广泛应用，机械的自动化程度已经变得越来越高，相应地对机械自动化设计进程也提出了更高的要求。机械设计师需要充分利用智能技术进行相应的机械设计工作，构建完善的智能化的体系。
2. 我国机械设计制造技术发展的现状分析
机械设计制造包括研究产品的设计、生产、加工制造、销售使用、维修服务乃至回收再生的整个过程。它是以提高质量、效益、竞争力为目标，包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。我国机械制造业的快速发展，主要依靠技术引进和赶超型发展战略，严重缺乏自主研发环节，这在很大程度上限制了中国机械制造业的发展，加之中国劳动力资源丰富而资金相对短缺，致使机械制造业的科技研发明显滞后。虽然中国机械制造业的产品数量已经位居世界前列，但主要依赖于劳动密集型产品，具有自主知识产权的高、精、尖产品比较少，在国际竞争中取得了相对的劣势。同时，我国械制造业产品的质量虽然有了很大程度的提高，但大量的机电产品的质量可靠性、外观设计、内在性能还存在一些问题。所以，就目前实际情况总体来说，中国的制造业大而不强，中国是制造大国而不是制造强国。
3. 机械产品的现代设计方法
3.1 智能化
智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体等工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。
3.2 系统化
系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素既具有独立性又存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。
3.3 模块化
模块化设计方法的主要特点是：视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。
3.4 基于产品特征知识
基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机实现产品的方案设计。
4. 机械制造中先进技术分析
随着科技的发展，产品的形状和结构的优化，对零件加工质量的要求也越来越高。数控加工技术就是在这种环境下发展起来的，适用于精度高，零件形状复杂的单件和中小批量生产的高效、柔性的自动化加工技术。目前，数控技术发展迅速，应用领域已从航空航天普及到汽车、机床等制造业及其他中小批量生产的机械制造行业中。
4.1 精密与超精密加工技术
随着航空航天、计算机、材料科学、激光和自动控制系统等高科技产业的迅猛发展，综合应用当今先进的加工技术，使机械加工精度已经提高到了0.01μm的亚纳米级，并向纳米级发展。精密加工和超精密加工技术是现代制造技术的前沿和主要发展方向之一，它已经成为国际科技竞争中能否取得成功的关键技术，尤其是精密加工技术在尖端产品和现代武器制造中有举足轻重的地位。
4.2 超高速切削、磨削技术
超高速加工技术是指采用超硬刀具和磨具，利用能可靠实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料去除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。具有切削力小、热变形小、加工精度高和降低加工成本等优越性。
4.3新一代制造装备技术
4.3.1 少无夹具制造技术
在常规制造系统中，产品生产所需大量夹具不仅耗费大量资金，更严重的是延长了产品的准备时间，形成制造过程中的“瓶颈”，这是造成柔性差、响应速度慢、生产成本高、企业竞争能力弱的主要因素之一。鉴于少无夹具制造技术所具有的重要学术意义和实用价值，国内外多个单位均在这一领域开展了研究工作。
4.3.2 虚拟轴机床
新型并联构型制造装备虚拟轴机床实质上是机器人与机床的混合物，其在结构上完全不同于传统的数控机床，具有模块化程度高，结构简单，速度、动态响应快，造价低等优点，克服了传统的机床设备一些无法避免的固有缺陷。
4.4 微细制造与纳米技术
随着人们对许多工业产品的功能集成化和外观小型化的需求，使零部件的尺寸日趋微小化。这些需求导致了自20世纪70年代起出现了微细加工和纳米制造技术，他们促使了微型机器向系统化方向发展，并形成了有广阔发展前景的微机电系统(MEMS)。
结束语
综上所述，随着科技水平的不断提升，我国机械制造业取得一定的成绩，但是我国的机械设计与制造技术还存在着一定的不足，这些都严重的影响到我国机械制造业的发展。在机械设计与制造中掌握时代发展的趋势，不断地对设计方法与制造技术进行完善，采用先进的机械制造技术，从而推动我国机械制造水平的提升。
参考文献：
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随着科技负效应的显现,工程伦理越来越受的人们的重视。化学工程有着与其他工程不同的特点。下面是我为大家整理的化学工程应用 毕业 论文，供大家参考。
《 化学工程中计算流体力学应用分析 》
摘要：计算流体力学是以多种计算方程为基础，在多种化学反应设备中进行能量、质量和动量的综合计算，分析出不同守恒定律中，这些变量的主控形式和变化规律，从而优化工程设计和工艺设备，提高化学反应中正向变化的进行，提高热量交换和原材料的反应速率等。从化学工程经济效益的角度分析，有利于工程成本的节约，提升了经济回报。 文章 计算流体力学的基本原理进行分析，并 总结 了其砸你化学工程中搅拌、热交换、精馏塔和化学反应工程的具体应用。
关键词：计算流体力学;求解;基本原理;化学工程;应用
化学工程在我国具有较长的研究与应用历程，并在实际的生产与生活中取得到巨大的应用成效，不仅能够供给正常的生活需求，同时根据新材料的开发，能够满足现代型环保材料的使用。在化学工程中，较多的反映环境和反应机制都是在溶液中进行的，具有质量守恒和热量守恒定律的应用。而这种质量与能量的关系正是计算流体力学的主要原理。通过对实际应用环境和原理的分析，能够优化工程设计和工艺改进，提高化学工程的生产效率。
1计算流体力学在化学工程中的基本原理
计算流体力学简称CFD，是通过数值计算 方法 来求解化工中几何形状空间内的动量、热量、质量方程等流动主控方程，从而发现化工领域中各种流体的流动现象和规律，其主要以化学方程式中的动量守恒定律、能量守恒定律及质量守恒方程为基础。一般情况下，计算流体力学的数值计算方法主要包括数值差分法、数值有限元法及数值有限体积法，其也是一门多门学科交叉的科目，计算流体力学不仅要掌握流体力学的知识，也要掌握计算几何学和数值分析等学科知识，其涉及面广。
针对计算流体力学的真实模拟，其主要目的是对流体流动进行预测，以获得流体流动的信息，从而有效控制化工领域中的流体流动。随着信息技术的发展，市场上也出现了计算流体力学软件，其具有对流场进行分析、计算、预测的功能，计算流体力学软件操作简单，界面直观形象，有利于化学工程师对流体进行准确的计算。
2计算流体力学砸你化学工程中的实际应用
2.1在搅拌中的应用分析
在搅拌的化学反应中，反映介质之间的流动性比较复杂，依据传统的计算形式根本无法解决，并在化学试剂在搅拌中存在不均匀扩散的特点，在湍流的形式中能量的分布状况也存在着空间特点。若是依据实验手段测得反映中物质、能量和质量的变化规律，其得出的结构往往存在较差时效性，实验骗差加大。
通过对二维计算流体力学的应用，能够对搅拌中流体的形式进行模拟，并进行质量、能量等数据的验证。但是流体的变化，不仅与化学试剂的浓度、减半速度有关，还与时间、容器的形状等有着之间的联系，需要建立三维空间模拟形式进行计算流行力学。随着科学技术和研究水平的提高，在通过借助多普勒激光测速仪后，已经对三维计算形式有了较大的突破，这对于化工工程中原料的有效应用和工程成本的减低具有促进的作用，但是在三维计算流体力学中还存在一定的缺陷，需要在今后的研究中不断的完善。
2.2CFD在化学工程换热器中的应用分析
换热器是化学工程中主要的应用设备，通过管式等换热器、板式换热器、冷却塔和再沸器等的应用，能够有效的控制化学试剂在反应中的温度变化。其中根据换热器的形式不同，计算流体力学的方式也就不同。在管式换热器中主要是通过流体湍流速度的改变，增加换热速率的。在板式换热器中是通过加大流体的接触面积，提高换热效率的。而在冷却塔和再沸器中，热量交换的形式更为复杂，但是却群在重复性换热的特点，增加了换热的时间，提高了换热的效果。从总体上分析，计算流量力学中，需要对温度变化、流体的速度变化、热交换面积变化和时间变化进行分析。通过CFD计算流体力学的应用，能够计算出不同设备的热交换效果，并根据生产的实际需求进行换热器的选择使用。
2.3在精馏塔中的应用
CFD已成为研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具,通过CFD模拟可获得塔内气液两相微观的流动状况。在板式塔板上的气液传质方面,Vi-tankar等应用低雷诺数的k-ε模型对鼓泡塔反应器的持液量和速度分布进行了模拟,在塔气相负荷、塔径、塔高和气液系统的参数大范围变化的情况下,模拟结果和现实的数据能够较好的吻合。
Vivek等以欧拉-欧拉方法为基础,充分考虑了塔壁对塔内流体的影响,用CFD商用软件FLUENT模拟计算了矩形鼓泡塔内气液相的分散性能,以及气泡数量、大小和气相速度之间的关系,取得了很好的效果。在填料塔方面,Petre等建立了一种用塔内典型微型单元(REU)的流体力学性质来预测整塔的流体力学性质的方法,对每一个单元用FLUENT进行了模拟计算,发现塔内的主要能量损失来自于填料内的流体喷溅和流体与塔壁之间的碰撞,且用此方法预测了整塔的压降。
Larachi等发现流体在REU的能量损失(包括流体在填料层与层之间碰撞、与填料壁的碰撞引起的能量损失等)以及流体返混现象是影响填料效率的主要因素,而它们都和填料的几何性质相关,因此用CFD模拟计算了单相流在几种形状不同的填料中流动产生的压降,为改进填料提供了理论依据。CFD模拟精馏塔内流体流动也存在一些不足,如CFD模拟规整填料塔内流体流动的结果与实验值还有一定的偏差。这是由于对于许多问题所应用的数学模型还不够精确,还需要加强流体力学的理论分析和实验研究。
2.4CFD在化学反应工程中的应用研究
在化学反应工程中，反应物和生成物的化学反应速率与反应器、温度和压力等有着较大的联系，在实际的反应中可以利用计算流体力学进行数据的获取。但是这数据的获取具有一定的温度限制，当反应中温度过大，就会造成分子的剧烈运动，其运动轨迹的变化规律就会异常，在利用计算流体力学的模型计算中，计算数据与实际情况会发生较大的偏差。由于高温中分子的运动轨迹和运动速度难以获取，在计算流体力学的实际计算中，就要借助FLUENT进行三维建型，并利用测速反应器进行速度的测量，通过综合的比较分析，利用限元法进行数据的计算。可以得出不同环境下的反应器的流线、反应器内部的浓度梯度及温度梯度。通过CFD软件预测反应器的速度、温度及压力场，可以更进一步理解化学反应工程中的聚合过程，详细、准确的数据可以优化化学反应中的操作参数。
3结束语
计算流体力学对于化学工程的应用具有实际意义，并在经济效益的提高上具有重要的价值，在近几年，化学工程技术人员不断的计算流体力学中展开研究，以二维空间计算和模拟为基础，不断的完善三维空间的流量计算，并得出了一系列的流体流动规律。根据计算流体力学在化学工程中的广泛应用，在今后的化学工程发展中，应加强此类学科的教学与延伸，提供出更有效的反应设备和工艺操作。
参考文献
[1]余金伟,冯晓锋.计算流体力学发展综述[J].现代制造技术与装备,2013(06).
[2]舒长青,王友欣.计算流体力学在化学工程中的应用[J].化工管理,2014(06).
《 能源化学工程专业化工热力学教学思考 》
[摘要]《化工热力学》是能源化学工程专业一门理论性和逻辑性较强的专业基础课，文章阐述了作者在《化工热力学》课程教学过程中如何提高学生对学习本课程兴趣的教学实践和教学体会。通过明确教学内容和教学主线，改变传统的单一的课堂教学，将课堂教学与学科动态及工程实践密切结合，激发学生学习兴趣，培养学生自主学习能力和工程意识，以满足培养能源化学工程领域领军人物的要求。
[关键词]化工热力学;能源化学工程;教学实践;教学体会
化工热力学是化工类学生的专业必修课程之一，主要讲述热力学定律在化学工程领域的应用，包括化工过程中各种形式的能量之间相互转换规律及过程趋近平衡的极限条件等。它是培养学生分析和解决实际化工问题思维方法的重要专业理论基础课[1-3]。然而该课程的课程内容抽象、计算繁琐，学生感到非常难学又缺乏实际应用，在课程学习过程中学生产生恐惧和厌学心理，达不到良好的教学效果，因此，我们对该课程的教学内容和 教学方法 进行一些改革和尝试，希望激发学生学习的兴趣，进而更好地掌握这门课程，为后续专业课程的学习夯实基础。
武汉大学2013年新开设的能源化学工程专业是由1958年原武汉水利电力学院开办的“电厂化学”专业发展而来，主要面向电力行业及高效洁净能源领域(包括超临界火电、核电、生物质能、氢能、新型化学电源等)，培养掌握化学与化工基础理论及能源化学专业知识和技能的未来行业发展的领军人物。
目前，本专业主要有水处理、材料腐蚀与防护、化学监督与控制、能源化学四个主要研究方向。为了适应学校对新专业发展和一流学科建设的要求，2015年在本专业大三学生中新增设了《化工热力学》这门化工类专业的专业基础课程。如何调动学生的课堂积极性，培养学生的创新能力，夯实学生的专业基础，使他们在54学时的学习过程中理解并掌握本门课程的基本概念，并且将抽象的理论与实际的能源化学过程联系起来是本课程的核心教学任务。本文结合我校能源化学工程专业的培养目标，浅谈《化工热力学》的教学体会，着重对教学方式进行了探索和实践，为培养能源化学工程领域的领军人物奠定基础。
1明确教学内容与课程主线
结合我校《化工热力学》课程以工程应用为中心、专业研究方向覆盖面广等特点，我们选用了朱自强等编著、化学工业出版社出版的《化工热力学》作为教材[4]，同时，也鼓励学生使用部分参考教材(《化工热力学》，冯新等编，2008;《化工热力学(第二版)》，陈钟秀等编，2000;《化工热力学导论(原著第七版)》，J.M.史密斯等编，刘洪来等译，2007)[5-7]。化工热力学发展时间较长，已形成较完整的知识体系，如何在54学时内有效地把关键知识点教授给学生是本课程教学实践的关键。
由于本专业学生在大二《物理化学》课程中已经系统学习了理想气体相关的状态方程及其应用，因此在本课程教学中不再赘述，而是重点介绍工程实际应用较多的二参数状态方程、化工热力学分析、溶液热力学、流体相平衡和化学反应平衡等。在教学实践中，首先，详细分析《化工热力学》教材结构，围绕主线内容合理编排知识点;其次，建立好各知识点之间的逻辑关系，让学生在大脑中建立化工热力学框架图;最后，根据能源化学工程专业的需要，适当删减补充了教材内容，结合学科动态，增强化工热力学的应用能力，如燃料电池开路电压的计算、水/二氧化碳共电解制合成气过程中气体组成的计算等。
2改变单一课堂教学模式，培养学生自主学习能力
化工热力学课程设计的公式多而繁杂，学生在开始学习阶段容易产生恐惧厌学心理，传统的单一课堂教学模式具有“教师主导学生学习”的特点，与本课程“教师引导学生学习”的教学目的存在较大偏差。因此，应改变传统单一课堂讲授模式，充分采用“启发式”和“参与式”相结合的教学方法。
首先，教师在 课前预习 阶段设疑(提出问题)，促使学生思考，复习旧知识，预习新知识;其次，教师在教学实践过程中采用多媒体和板书相结合的教学方式解疑(解决问题)，并通过对例题和习题的讲解加深学生对化工热力学原理、方法和应用的理解，同时，教学过程中应避免陷于抽象的说教和枯燥的公式推导之中，重点讲述化工热力学知识点的应用条件和物理意义;最后，课堂教学结束后，教师主动与学生面对面交流答疑(探讨问题)，并设置思考题让学生查阅相关资料。通过“设疑—解疑—答疑”的渐进式教学方法达到对关键知识点举一反三的目的，同时，吸引学生注意力，培养学生自主学习能力，提高学生学习的积极性和主动性。
3课堂教学与工程实践密切结合，培养学生初步的工程观点
化工热力学由于理论性较强、基本概念多且抽象，而且本科生在学习过程中接触科研课题及工程实践的机会较少，将课堂教学内容与科研课题及工程实践紧密结合起来，建立“以应用为中心”、“探究式”的特色教学模式，紧密联系我校在能源化学工程领域(特别是超临界火电、核电、生物质能、氢能、新型化学电源等方面)开发利用的化学工程实际问题，把学科前沿领域的科研成果带入课堂，可以使他们强化科研思想、激发听课兴趣、培养创新能力;同时，可以让学生获取利用化工热力学基本原理解决工程实际问题提供思路和方法，培养学生初步的工程观点。
4考核方式方法研究
传统的期末一张考卷为准的考试方式不利于学生能力的培养，也不能全面地体现学生对所学知识的掌握程度，为了更加系统全面地评价学生对课程内容的认识情况，我们对课程的考核方式方法进行了改革探索。目前，课程成绩总评包括平时成绩和期末成绩两部分，其中平时成绩包括学生的课堂综合表现、课程预习、作业三个部分，各占10%;期末考试采用开卷方式考试，考试的题目偏重于对知识点的理解和其在能源化学过程中的应用。然而由于该课程的课程内容抽象、计算繁琐，教学过程中发现仍有部分学生存在畏惧厌学心理，因此，在今后的教学实践中应考虑进一步激发学生的学习兴趣，增强学生的主观能动性，在课堂教学中引入分组讨论，开展导向性的专题研究，将课程内容与能源化学过程(特别是学科动态)相结合，培养学生查阅资料和分工协作的能力，为学生下一步学习专业课程夯实基础。
5结束语
在《化工热力学》课程的教学实践和尝试中，首先要明确教学内容与主线，打破单一的学生被动听讲的模式，理论联系实际应用，调动学生学习的积极性和主动性，激发学生对教学内容的兴趣，并且在教学的过程中对教学方法进行改革创新，因材施教，为学生下一步学习更专业的能源化学工程知识和从事新能源行业工作奠定扎实的基础。
参考文献
[1]陆小华，冯新，吉远辉，等.迎接化工热力学的第二个春天[J].化工高等 教育 ，2008，3：19-21.
[2]梁浩，刘惠茹，王春花.《化工热力学》教学实践与尝试[J].广东化工，2010，37(1)：157-158.
[3]李兴扬，唐定兴，沈凤翠，等.化工热力学教学改革与体验[J].化工高等教育，2011，3：71-73.
[4]朱自强，吴有庭.化工热力学(第三版)[M].北京：化学工业出版社，2009.
[5]冯新，宣爱国，周彩荣，等.化工热力学[M].北京：化学工业出版社，2008.
[6]陈钟秀，顾飞燕，胡望明.化工热力学(第二版)[M].北京：化学工业出版社，2000.
[7]史密斯JM，范内斯HC，阿博特MM，等编;刘洪来，陆小华，陈新志，等译.化工热力学导论(原著第七版)(IntroductiontoChemicalEngineeringThermodynamics，SevenEdition).北京：化学工业出版社，2007.
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管子试压快装接头，《化工装备技术》，1988.2，独立作者冷弯螺旋形盘管回弹量的计算，《石油化工设备》，1988.5，独立作者浮阀安装用简易钳，《石油化工设备》，1992.3，独立作者一种新型防松螺母，《石油化工设备》，1997.6，独立作者木材阻燃浸渍处理方法及新的技术，《辽宁化工》，2005.10，独立作者微波超声波技术在阻燃剂浸渍处理木材中的应用，《化工进展》，2005.12，独立作者木材构造对木材化学阻燃浸渍处理方法的影响，《广州化工》，2000.5，独立作者阻燃剂浸渍处理木材方法研究，《林业机械与木工设备》，2005.12，独立作者微波技术在木材阻燃处理过程中的应用，《连云港职业技术学院学报》，2005.4，第一作者超声波技术在木材阻燃浸渍处理过程中的应用，《福建林业科技》，2006.1，第一作者
E1, E2, E3, E4—换热器 F1, F2, F3—闪蒸罐 EX1—膨胀装置 T1—精馏塔 R1—反应罐 FEED1—初始混合气体
FEED2—苯 PRODUCT1—主要产品甲烷 PRODUCT2—主要产品枯烯 BOTTOMS—尾气
罐中出来的上部气体S10中主要为甲烷、乙烷
和未反应完全的丙烯, 进一步冷凝后作两相分
离, 气体尾气BOTTOMS 中主要为乙烷和丙
烷, 液体S12中含有丙烯回流进入反应罐。
2 热力学方法的选择
在化工流程模拟软件PRO / II中, 需要通
过不多的已知物性数据对物系的热力学性质和
传递性质进行估算, 估算的准确与否将直接影
响模拟结果的准确性。选择适当的物性方法经
常是决定模拟结果的精确度的关键步骤, 选用
不恰当的物性方法将得到错误的计算结果。对
于绝大多数炼油和石化装置, 所处理的物系均
为烃类系统和石油馏分, 其中可能含有一些非
烃气体, 如氢气、空气、二氧化碳、一氧化
碳、硫化氢等。这些都可以认为是非极性物
质。对于非极性物质, 可以选用状态方程来计
算热力学性质。迄今为止, 文献上发表的状态
方程已上百个, 但是经常使用的方程只有十来
个, 而最重要、最符合本模型的仅仅2～3个。
现选用不同的热力学方法进行估算。
211 Soave - Redliofi - Kwong状态方程( SRK
方程)
该方程是Georgi Soave在1972年发表的,
其计算公式如下:
P =
RT
V - b
-
a ( T)
V (V + b)
式中 b = Σi
xi bi
bi = 0108664RTci /Pci
Tci、Pci ———成分i的临界温度和临界压
力
a ( T) = Σi
Σj
XiXj ( ai aj ) 1 /2 (1 - Kij )
ai = aciαi
aci = 0142747 (RTci ) 2 /Pci
αi
015 = 1 +mi (1 - Tci
015 )
mi = 01480 + 11574ωi - 01176ωi
2
ωi ———成分i的离心因子
Kij ———成分i和j的二元交互作用参数
希腊字母α的导入是为了改善纯组分蒸
汽压力的预测, 而联合公式通过Kij的导入来
计算a ( T)是为了改善混合物的压力预测。使
28 化工流程模拟在蒸馏与反应流程中的应用
用Soave公式预测混合物包括两个步骤: 第
一, 这个组分的偏心因子ωi 对每个组分都是
已调谐的, 这样组分的蒸汽压力可以精确预
测; 第二, 字母Kij是组分i和j的二元交互系
统的实验数据所确定的, 以便相平衡能够匹
配。输入各单元参数和原工艺条件后运算结果
见表1。
表1 选用SRK方程模拟运算后结果
流体名称FEED1 FEED2 PRODUCT1 PRODUCT2 BOTTOMS
流量
kmol·h - 1 1300197 350 759104 403132 172147
成分
甲烷01576 01000 01986 01000 01005
乙烷01077 01000 01011 01026 01535
丙烷01057 01000 01000 01057 01293
丁烷01009 01000 01000 01015 01030
丙烯01281 01000 01003 01034 01136
枯烯01000 01000 01000 01784 8107 ×10 - 6
苯01000 11000 01000 01840 01001
212 Peng - Robinson状态方程( PR方程)
该方程于1976 年由Peng和Robinson 提
出, 这是另一个立方型状态方程:
P =
RT
V - b
-
a ( T)
V (V + b)
式中 b = Σi
xi bi
bi = 0107780RTci /Pci
Tci、Pci ———成分i的临界温度和临界压
力
a ( T) = Σi
Σj
XiXj ( ai aj ) 1 /2 (1 - Kij )
ai = ac iαi
aci = 0145724 (RTci ) 2 /Pci
αi
015 = 1 + ni (1 - Tci
015 )
ni = 01480 + 11574ωi - 01176ωi
2
ωi ———成分i的离心因子
Kij ———成分i和j的二元交互作用参数
代入与SRK方程相同的数据运算模型, 结果
见表2。
表2 选用PR方程模拟运算后结果
流体名称FEED1 FEED2 PRODUCT1 PRODUCT2 BOTTOMS
流量
kmol·h - 1 1300197 350 749125 405101 170155
成分
甲烷01576 01000 01982 01000 01005
乙烷01077 01000 01013 01028 01478
丙烷01057 01000 01000 01059 01292
丁烷01009 01000 01000 01015 01029
丙烯01281 01000 01005 01035 01195
枯烯01000 01000 01000 01780 915 ×10 - 6
苯01000 11000 01000 01830 01001
213 Benedict - Webb - Rubin - Starling状态方
程(BWRS方程)
该方程于1973年由Starling提出, 计算公
式为:
P =ρRT + (B0 RT -
A0 C0
T2 -
E0
T4 )ρ2
+ ( bRT - a -
d
T
)ρ3 +α( a +
d
T
)ρ6
+
cρ3
T2 (1 + rρ2 ) exp ( - rρ2 )
对此方程进行运算, 所得结果为模型运行错
误。
根据两种方法计算结果与实际情况的比
较, SRK热力学方法比PR热力学方法在本模
型中更接近实际, 故优先选用。
3 工艺优化
运用化工流程模拟软件可以很方便地修改
工艺参数, 从而得出更好的工艺。
311 改变S4的进料位置
S4为初始混合流体冷凝闪蒸后的液态混
合物, 改变其进入蒸馏塔塔板的位置, 综合比
较各产品和剩余气体的流量、浓度, 从而得到
最佳进料点。模拟运算结果见表3。
从表3可以看出, 根据产品甲烷的浓度和
尾气枯烯的含量对比, 物料S4的最佳进料位
置为蒸馏塔塔板的第4层。
312 改变蒸氨后换热器E3、E4的换热温度
换热器E3、E4的换热温度改变后, 产品
《化工装备技术》第28卷第4期2007年29
表3 选用PR方程模拟运算后结果
进料塔
板位置
甲烷流量
kmol·h - 1
甲烷
浓度
%
枯烯流量
kmol·h - 1
枯烯
浓度
%
尾气枯烯
含量
×10 - 6
第1层74813022 98153 31519965 77178 810865
第2层74813057 98155 31611300 78138 810683
第3层74813071 98157 31611293 78138 810557
第4层74813073 98157 31611291 78138 810547
第5层74813075 98156 31611290 78137 810551
第6层74813074 98156 31611289 78137 810556
第7层74813072 98155 31611287 78137 810552
和尾气中枯烯的流量和浓度及回流进入反应罐
的回流流量也相应改变, 运算后结果见表4、
表5, 综合比较可得最佳温度控制点。
表4 换热器E3换热温度的改变
温度
℃
产品枯烯
流量
kmol·h - 1
产品枯烯
浓度
%
尾气流量
kmol·h - 1
尾气枯烯
含量
×10 - 6
S12回流
流量
kmol·h - 1
35 31611291 78138 17212960 810547 714290
40 31614791 79147 17710329 810236 1014540
45 31618976 80147 18019907 810753 1413566
50 31714018 81139 18413300 811881 1913543
55 31719984 82104 18710697 813625 2516565
60 31813206 82155 18912116 816035 3814790
从表4可以看出, 随着换热器E3换热温
度的升高, 产品枯烯的产量和浓度增加, 尾气
中枯烯的浓度也升高, 但变化不是很大, 只是
回流流量增加较快, 选择换热温度为50℃。
表5 换热器E4换热温度的改变
温度
℃
产品枯烯
流量
kmol·h - 1
产品枯烯
浓度
%
尾气流量
kmol·h - 1
尾气枯烯
含量
×10 - 6
S12回流
流量
kmol·h - 1
- 25 31714018 81139 18413300 811881 1913543
- 28 31716092 81119 18218178 410633 3415521
- 29 31717248 81108 18119248 310836 4416888
- 30 31718947 80194 18017796 212878 6011557
- 31 31811412 80177 17911549 116735 8319138
- 32 31815234 80158 17619915 112163 12117759
分析表5的数据可以得到, 温度越高, 虽
然产品中枯烯的浓度越高, 但尾气中枯烯的含
量也越高, 当温度过低时, 在产品浓度降低的
同时, 回流量也加大了, 回流管线的负荷也就
较大。所以综合考虑, 选择换热器E4的冷却
出口温度为- 30℃。
313 调节苯的加入量
根据蒸馏后塔底流体的丙烯含量, 再考虑
回流流体中的丙烯及苯的含量, 调节苯的加入
量。
从表6可以看出, 随着原料苯的增多, 产
品丙烯的产量有所提高, 其浓度变化不大, 尾
气中丙烯的含量也增加了。根据表6数据, 苯
的加入量控制在365kmol/h左右为最好。
表6 调节苯的加入量
苯流量
kmol·h - 1
产品枯烯
流量
kmol·h - 1
产品枯烯
浓度
%
尾气流量
kmol·h - 1
尾气枯烯
含量
×10 - 6
S6回流
流量
kmol·h - 1
350 31718947 80194 18017796 212878 6011557
360 32616796 81109 17119535 215423 4910288
365 33110751 81117 16715021 216837 4411746
370 33514825 81125 16311646 218253 3919938
380 34413002 81143 15414345 311396 3216252
390 35311362 81161 14518579 314811 2616930
314 优化前后数据对比
比较优化前后产品的流量和浓度, 以及尾
气中有毒气体枯烯的含量, 从表7 中可以看
出, 优化后产品中枯烯的浓度得到提高, 尾气
中枯烯的含量也降低到规定的标准之下。
表7 优化前后数据比较
甲烷流量
kmol·h - 1
甲烷
浓度
%
枯烯流量
kmol·h - 1
枯烯
浓度
%
尾气流量
kmol·h - 1
尾气中
枯烯含量
×10 - 6
优化
前
74813057 98155 31611300 78138 17214739 810683
优化
后
74813073 98157 33110751 81117 16715021 216837
4 结束语
(1 ) 选择了最符合本模型的热力学方
法, 对工艺流程进行了优化。
(2) 提高了产品的浓度和流量, 尾气中
枯烯的含量也控制在规定范围以内。
(3) 为工艺控制提供理论依据, 实际生
产中还可以通过调节换热器(E3、E4)的换热温
