化学反应工程课程案例教学之膜反应器基本原理及应用

化学反应工程课程案例教学之膜反应器

基本原理及应用

摘要：化学反应工程是研究化学反应机理和反应堆设计的学科。其目的是了

解反应系统的特点，合理选择和设计合适的反应堆，以满足经济、安全、高效和

环保材料转换过程的要求。化学反应工程课程教学围绕反应堆设计逐步发展，反

应堆设计方程主要涉及到电源组成、反应动力学、接触模式和反应堆类型。其中，进料组成是操作参数，反应动力学是工艺的固有特征，接触方式是指反应材料

(包括试剂和产品)如何通过反应堆并在反应堆接触行为中的不同位置流动。反应

器型式多种多样，在很大程度上会显著影响接触模式。膜反应器是一种将化学反

应和膜分离耦合在一起的先进反应器，可通过常规反应器和膜分离设备的有效集成，减少化工过程设备数量并实现过程提质增效。基于此，本篇文章对化学反应

工程课程案例教学之膜反应器基本原理及应用进行研究，以供参考。

关键词：化学反应工程课程；案例教学；膜反应器；基本原理；应用分析

引言

化学工业与人们的衣、食、住、行息息相关，是国民经济的支柱产业，其生

产过程主要涉及三个步骤——原料预处理、化学反应、产品的分离与纯化。其中，化学反应是将原料转变为化工产品的关键，是整个工业生产过程的核心。研究化

学反应如何在工业上实现的学科称为化学反应工程，即化学反应工程是一门研究

化学反应工程问题的学科，它以工业反应过程和反应器的设计、开发、放大及优

化为目的，是化学工程学科的重要分支。作为大化工专业(特别是化学工程与工

艺专业)的核心基础课程，化学反应工程是一门以高等数学、物理化学、物理等

为先修知识、学科交叉性较强的学科，其概念、原理抽象，往往采用理论推演结

合工程实践的研究方法。更重要地是，化学反应工程的研究对象——工业规模的

化学反应，其影响因素复杂多样，对于缺乏一线实践认知的学生群体，难以将反

应过程设计、操作优化等实际问题的解决与理论知识联系起来。基于上述特点，

在新工科背景下，化学反应工程教学既要满足专业知识体系的基本要求，还要强调工程思维训练，突出对解决复杂工程问题的能力提高，同时提高学生的学习兴趣。

一、《化学反应工程》的课程发展

作为我国经济支柱的化工行业是支持制造业质量发展的重点领域。化工行业不仅为国民经济的快速发展提供能源安全，而且为提高人民生活水平提供高质量的产品。化学反应是化学工程的重要组成部分。随着计算机技术以及精细化工、生物化工等新技术的快速发展。化学反应工程的研究领域得到了拓展，从而使《化学反应工程》课程体系不断得到丰富和完善。经过几十年的发展，化学工程体系基本形成，理论研究逐渐完善。本课程总结了一个综合宏观经济反应过程，其基础是化学反应与有机、化学和能源化学过程的脉冲、热和传质相互作用。化学反应动力学和反应器设计是化学反应工程的两个主要元素。后者主要涉及化学反应的速度及其影响因素，研究反应堆内化学反应的规则，以控制反应过程和反应的优化设计。生产规模较大，迫切需要进一步发展化学反应过程和优化反应堆设计。化学反应与化学公司的理论与实践为学科奠定了坚实的基础。数学方法和高性能计算机的应用是对机械工程理论研究反应的有效辅助。当前，国内外学者基于化工生产过程和实验研究陆续出版一系列相关著作和教材，并围绕着化工领域的共性问题形成了较为完整的课程体系。这就要求《化学反应工程》课程内容进行补充和拓展，以适应化工产业的转型升级。

二、教学目标

《化学反应工程》对大型工业关键化学反应过程优化设计和控制的研究是我在化学工程和化学应用领域的专业。课程将动力学、物理、化学、数学和计算机等基本知识结合起来。本课阐述了应用的通用性、实用性和难度，强调了理论与实践的结合。在创新人才发展领域，我们从事工程技术科学。该课程特别注重以科学和专业精神开展学习教育，旨在向学生传授知识，同时激发正确的价值观，以实现道德、美德和教学原则。因此，在学习过程中，请将重点放在将教程和专业培训计划、基本原则和反应以及反馈结合起来，以帮助学员构建坚实的设计理念，并提高他们解决实际问题的能力。本课程不仅包括理论分析，还包括实践经

验总结、描述过程工作原理的数学模型，以及对过程的详细分析。而且不同的学

习内容之间有很强的相关性。因此，在教学过程中，要注意“基础知识、宝贵技

术知识的应用”的概念——即从技术应用角度看反应堆的基本原则、研究方法、

发展和优化，灵活、多方面和实用的学习内容，使学生能够将反应项目的基础与

化学反应联系起来。学习反应堆技术的放大、控制和优化等技术专门知识，开发

学生发展的基础和技术，利用对设计理论和方法的反应分析和解决实际设计问题

或研究和技术发展，将职业教育的概念作为“以工作为导向、以能力为导向”的

教育概念。

三、膜反应器的基本原理

膜反应器是将反应过程与分离过程集成在一起的先进过程强化装备，主要分

为产物移出型和反应物添加型。本文主要介绍产物移出型膜反应器，即利用膜的

选择性透过作用从反应体系移出一种或几种反应产物的膜反应器。根据勒夏特列

原理可知，降低产物浓度可以推进化学反应平衡向右移动，从而在相同反应条件

下显著提升反应物的转化效率，改善产物的选择性。

四、化学反应工程课堂教学现状分析

课堂教学教师一般多关注于数学模型的建立、设计方程的推导，虽然强调工

程实践能力的培养，但往往因为完成教学内容而忽略学生的主观能力性和参与感。加之本科阶段工程实训的机会有限，理论知识和实践训练脱节，往往使学生认为

现在所学的课本对将来的工作用处不大，出现“高分低能”的现象。

五、化学反应工程课程案例教学之膜反应器应用分析

膜反应器性能的主要影响因素包括：反应温度和压力，渗透侧氢气分压，分

离膜性能和催化剂性能。分离膜性能和催化剂性能是膜反应器的最重要影响因素，主要由选用的钯膜、催化剂所决定，其性能随反应温度升高而增强。反应压力和

渗透侧氢气分压主要对透氢驱动力和反应热力学产生影响，增大反应压力对甲烷

蒸汽重整制氢反应热力学不利，但增大反应压力、降低渗透侧氢气分压对氢气透

过有利。