2018年全国互联网化学反应工程课模设计大赛

全混流反应器——2223队1/102018年全国“互联网+化学反应工程”课模设计大赛---全混流反应器设计说明书课模题目：全混流反应器指导老师：李爱蓉罗文嘉吕玲参赛团队：2223队团队成员：王萍萍邱月李轩王麟全混流反应器——2223队2/10目录1作品设计及使用说明.............................................................31.1设计方法..........................................................................31.2使用软件..........................................................................31.3作品视频及动画说明......................................................41.4作品使用方法..................................................................42作品内容说明.........................................................................52.1作品意义..........................................................................52.2利用APP开发器优化教学方法...................................52.2.1多级全混流模型APP设计说明................................52.2.2反应器模型APP的课堂运用....................................62.2设计基础..........................................................................72.3设计思路..........................................................................82.4设计内容.........................................................................92.5作品设计应用................................................................102.6作品创新性说明...........................................................10全混流反应器——2223队3/101作品设计及使用说明1.1设计方法运用数学模型的方法，先将工业上实际连续流动釜式反应器的特点抽离化简为全混流反应器，将理想反应器的模型特点推广运用至非理想反应器组合，对单级全混流反应器模型与平推流反应器模型的优缺点分析与对比，并对单级全混流反应器进行解析计算分析，进而进行反应器优化组合设计，而多级串联全混流反应器就是一种典型的反应器组合设计，并对单级全混流反应器及多级全混流反应器分别进行2D及3D动画演示设计，通过动画的方式直观对比各类反应器之间的差异，可以辅助学生对于全混流反应器及返混等基本概念更好地理解。为了让学生在学习《化学反应工程》这门课程的初期对这门课程产生较大的兴趣，本课模设计作品创新性地通过COMSOL模型开发进行了多级全混流模型的搭建，并通过COMSOL的APP开发器搭建出一个简单的二级全混流反应器模型APP，APP开发器的灵活性使它可以作为《化学反应工程》这门课中一种良好的课堂交互式工具，并且充分符合课模大赛“互联网+”的特色，可以极大地提高学生对于反应器设计的兴趣，并引导学生产生自主学习反应器设计软件的动力，为后期进行复杂反应器设计做好一定铺垫。1.2使用软件内容软件课模总体内容制作与展示PowerPoint/AutoCAD/录屏软件反应器物料衡算解析计算Word2016/MathType辅助模型动画制作与展示3DMax2012/AdobeFlash5.5/Cinema4D反应器模型APP开发COMSOL5.3总体通过PowerPoint、AutoCAD和录屏软件进行课模的制作、反应器的绘制与展示及内容介绍，辅助使用MathType及Word辅助完成过程解析计算，通过3DMax、AdobeFlash及Cinema4D不同的动画制作软件分别制作出反应器基本演示2D及3D模型与动画演示，完成课模作品的总体动画设计。全混流反应器——2223队4/10创新性地通过COMSOL模型开发，搭建出多级全混流模型APP，在本课模中通过视频的方式给予APP简单操作的演示，意在通过APP这种交互式工具实现课堂良好的良性互动，提高学生在课程初期学习过程中的兴趣，并为后期进行复杂反应器学习做好一定的铺垫。1.3作品视频及动画说明本作品的展示视频及动画总共包含作品展示视频及作品演示动画两大部分，其中作品展示视频中包含作品演示动画，为便于各个动画演示视频的查看也在附件中分别予以GIF或MP4格式进行保存，动画演示分别通过3DMax、AdobeFlash和Cinema4D进行各类反应器及模型的设计绘制，COMSOL所搭建的多级全混流模型APP演示也通过视频的方式插入到课模作品中，动画制作的源文件也在百度云盘附件中进行保存。作品展示视频保存为MP4格式（时长：04:46min；大小：139MB），作品演示动画包含“单级全混流反应器”（3DMax绘制）、“多级全混流反应器”（3DMax绘制）、“全混流模型”（Flash动画）、“平推流模型”（Flash动画）、“连续流动釜式反应器外部展示”（Cinema4D）、“连续流动釜式反应器内部展示”（Cinema4D）和“COMSOL多级全混流模型APP演示”总共7个动画。1.4作品使用方法本作品包含课模设计说明书、作品展示视频、作品演示动画和作品演示动画源文件四部分组成，在观看作品展示视频之前，可以首先阅读此说明书对作品本身有个基本的了解，然后通过视频观看对我们的对作品内容进行全面的了解，然后可以进一步查看相关的反应器动画演示动画及源文件。全混流反应器——2223队5/102作品内容说明2.1作品意义化工生产中用到各种类型的反应器，如管式、槽式反应器等等，这些实际设备中的流动现象往往是比较复杂的。但是我们可以从错综复杂的流动现象中找出其本质和规律，通过借助能反映流动过程主要特征的、物理意义明确且数学表达简便的流动模型来描述某些理想的反应器，则实际的复杂反应器就可以用理想反应器的流动模型加以描述、处理及优化。我们本次的课模设计主题是“全混流反应器”，课模设计的特点是通过各种形式的动画演示，让学生可以更为直观的感受和观察各种不同类型的反应器的特点，更好地理解掌握返混等反应器相关的基本概念，培养学生对于《化学反应工程》课程学习的兴趣，并在作品背景中介绍工业实际连续流动釜式反应器的使用情况和基本特点，有利于学生工程思维的培养与锻炼,而在作品内容及逻辑方面，并采用数学模型的方式，通过实际反应器不断抽离与化简理想流动模型，然后通过对模型的解析计算与分析，不断进行优化组合与设计，并对多级全混流模型进行进一步的优化设计，通过COMSOL模型开发搭建出多级全混流模型APP，意在通过新颖的课程交互式互动方法，大大提高学生对于理想反应器模型的理解与掌握，加深学生对于《化学反应工程》这门课程常用的数学模型方法的理解和掌握，为后序进行复杂反应器设计与分析做好一定铺垫，并提高学生主动学习反应器软件模拟、设计与仿真的兴趣和动力。2.2利用APP开发器优化教学方法2.2.1多级全混流模型APP设计说明本课模作品中创新性地提出通过COMSOL的APP开发器这一良好的交互式工具，进而优化《化学反应工程》这门课程的教学方法，不仅可以提高学生的学习兴趣，同时也提高老师授课的课堂效率，通过初级简单又具有吸引力的APP界面调动学生产生自主学习的动力，引导学生可以结合理论知识不断去主动摸索全混流反应器——2223队6/10与尝试进行不同类型的反应器的仿真设计。在本课模中搭建在为简单的二级全混流模型APP，通过COMSOL模型开发完成理想全混流反应器相关参数的设计，然后通过COMSOL的APP开发器搭建出简捷而又人性化的操作界面，只需改变界面参数即可了解一类理想反应器模型的浓度、反应体积和反应速率等变化曲线的基本特点，并引导学生对比单级全混流模型，自主学习与总结多级全混流模型的特点，提高学生的课堂学习效率。图1多级串联全混流模型APP开发演示界面本课模作品中的多级串联全混流模型APP主要分为四个部分：参数输入部分、模型图片展示部分、模型反应特点和动力学方程展示部分和曲线结果展示部分。2.2.2反应器模型APP的课堂运用《化学反应工程》作为化工专业学生的一门理论知识比较复杂和与工程联系紧密的专业课，学生在初学此课的时候难免会感到有些吃力，如何在课程伊始就能很好地调动学生对于这门课程产生极大的兴趣？如何将晦涩难懂的理论讲得让学生易于理解？如何提高学生对于这门课程自主学习与探索的动力？充分提高学习效率，同时使学生保持学习热情，这是老师们希望在所有课程中实现的共同目标。对于以物理、化学工程学为基础的《化学反应工程》，反应器模型APP可以通过简化方式向学生介绍复杂概念，从而帮助老师实现这一目标。对于《化学反应工程》这门课程而言，核心是反应器的设计与分析，但在全混流反应器——2223队7/10课程初期，调动学生更好地理解几种理想流动模型是十分重要的，只有对理想流动模型做到深入的理解，才能为后序进行复杂反应器的设计与分析做好铺垫。而学生在初期学习过程中，由于工程经验的不足，相关理论知识的相对缺乏，对于反应器的基本构造、内部流动特点与浓度随时间等的变化曲线，只通过文字性的理论知识的学习，部分同学并没有做到很好地理解，或者并不能够做到真正的融会贯通，这时，对于老师们而言，就需要在课程初期的教学过程中做出一些创新性的改变，在课堂教学中融入反应器模型APP这一交互式工具就是一个不错的选择。任何一种仿真研究都必须考虑到复杂的理论和物理场，才能获得准确逼真的结果。反应器模型APP的独特之处在于，能将这些元素组合到复杂的底层模型中，仅向用户呈现友好的界面。这一功能使没有仿真专业知识的人设置自己的数值测试，并在此过程中增强他们对各种科学方法的理解，通过对于反应器基本参数的改变，可以发现并总结不同类型反应器的特点和影响因素。在《化学反应工程》课程学习中，反应器模型APP可以作为向学生介绍艰深概念、提高他们建模能力的强大工具。而且，随着学生们继续深入研究，老师们可以利用APP开发器的灵活性在APP设计中融入更多的复杂性，以进一步提升他们的学习能力。反应器模型APP简单易用，学生能够更迅速地掌握各个科学概念背后的理论。每个APP内附注解，将底层理论阐述得更为清晰，并能访问众多设计参数，以展示在参数修改时了解设备性能的变化，即学生无须学习软件即可使用APP，这为他们提供了一个快速理解底层原理的捷径，并通过这一新颖的互动教学方式，极大地提高了学生对于反应器学习的兴趣。2.2设计基础通过《化学反应工程》课程前段的学习，对于基本的化学反应器设计基础及思想有了基本的了解，对于各级反应的化学动力学方程也有了较为全面的掌握，并通过对几种常见的理想反应器模型的学习和计算分析，可以针对实际反应器的特点分析，建立在理想反应器模型的基础上，建立初步的非理想反应器模型，多级全混流反应器的串联就是一种比较常见的优化设计。全混流反应器——2223队8/10以苯硝化反应连续流动釜式反应器的实际工业背景作为出发点，进行连续流动釜式反应器的特点介绍与分析，并进行其外部和内部动画