化工原理教学中渗透工程设计的思想.doc

化工原理教学中渗透工程设计的思想倪献智 于明 牟宗刚 李春生 耿兵 济南大学 化学化工学院摘要：化工原理课程是一门利用自然科学的原理研究实际化工过程中的基本规律，得到多种重要的工程理论和工程方法的技术基础课程。在该课程教学中，以工程设计为指导思想，突出工程理论和工程问题的分析，对于培养学生的工程设计能力和专业素质，是非常重要的。关键词：化工原理，教学，工程理论，工程设计中图分类号：G642.4 文献标识：社会的迅猛发展对于人才提出了全新的要求，高等教育面临着严峻的挑战。作为传递高级文化、探究高深学问、培养高级人才的高等教育，首当其冲面临的是能否培养出适应社会发展和经济建设所需要的高质量人才的挑战。教育必须适应时代发展的需求，立足于科技和文化发展的前沿，应随时以崭新的教育思想、教育理念、教学内容和方法进行教学。课程教学是教学工作的基本单元，提高教学质量具体应从每一门课程的教学入手。化工原理属于化工技术基础课程，该课程研究化工过程中通用的基本规律，利用数学、物理和化学等基础科学理论研究分析各种化工单元操作的基本原理，得到工程理论，研究典型化工设备的结构原理，研究得到进行工艺过程设计和设备设计的计算方法。这门课在化工类各专业的教学计划中起到承前启后、由理及工的“桥梁”作用，是从自然科学领域的基础课向工程科学的专业课过渡的入门课程。在该课程的教学中，以工程设计为指导思想，注重研究问题时的工程观点、工程方法和工程理论，利用多渠道对学生加强工程设计与计算的训练，对于培养学生的工程设计能力和专业素质，有着非常重要的意义。一、化工原理教学中培养学生的工程意识科学技术研究成果的工业化，需要大批具有专业知识的高素质人才去进行设计、制造、施工、运行和管理。科学、技术与工程之间的关系日益密切，其愈加呈现出综合化、整体化的发展趋势。因此，对未来工程师的能力和素质提出了全新的要求。化工原理课程是由理及工的“桥梁” 课程，在课程的开始时教师就应做好这方面的引导和教育工作。化工原理教学内容的特点是通过研究分析各种化工单元操作的个性，综合归纳它们的共性，阐述解决工程问题的方法论，得到工程理论。注重从典型实例的剖析中提炼出若干重要的工程观点，培养学生综合分析与正确解决工程实际问题的能力。该课程融理论分析、工程实践、实验技术实践为一体，融传授知识、培养能力、提高素质为一体，在对学生传授现代化工理论与技术的过程中，培养学生的工程思想、工程观念、工程能力，塑造其业务素质。教学中要做到思想性与科学性的统一，以辩证唯物主义的立场、观点和方法指导整个教学过程。在分析工程问题时注意工程问题的客观实际性。在基础理论课程中，从一个理论出发分析影响某一物理量的诸因素时，学生会不分主次、不分实际与否地找出各种影响因素和影响关系。但是，在应用工程理论分析实际工程问题时就不同了，在分析影响某一工程中物理量的各种因素时，首先要考虑实际可能性，再要善于分清主次，还要注意各因素之间的辩证关系。现举一工程实例，在通过传热实验测定换热器的传热总系数时，由实验数据计算传热总系数是根据传热基本方程式 。如果要求学生分析在实验中影响测定准确性的各因素的话，很多学生就围绕着传热基本方程式考虑问题，不分主次地罗列出等因素。传热基本方程式是通过实验数据反映换热器的传热总系数的一个方法。如果分析实验中影响测定准确性的各因素的话，应该根据的表达式，该式是从根本上反映各影响因素的关系式。并非该式中的每个物理量都是工程中的变量因素，对于实验中某一确定的换热器来说，仅有对流给热系数是变量因素，因此，影响的变量因素就是影响测定准确性的因素。再根据对流给热系数的表达式可知，流体的流速（即流量）是最敏感的影响因素。因此，对于上述问题，实验中的是影响测定准确性的关键因素。这样来分析问题，注重了问题的客观实际性，使学生认识到哪些是表面关系（或者纯数学关系）、哪些是本质关系，并且认识到同一台换热器的换热性能参数是因流体流量不同、操作条件不同而变化的，从而建立起灵活的而非僵化的工程概念。过程经济性分析是现代化工设计与生产的基本要求，教学中突出过程经济性分析，是对于学生进行工程概念和效益意识培养的重要环节。尤其在各单元操作技术中，工艺参数取值与技术经济性有着内在的联系，例如：1）吸收操作中吸收剂用量；2）吸收操作中吸收剂入口含溶质组成要求；3）解吸操作中解吸气用量；4）精馏操作中操作回流比； 5）精馏操作中进料温度；6）萃取操作中萃取剂用量；7）干燥操作中热效率分析。工程过程中的经济性分析体现了辩证法思想对于工程实际的指导作用。二、教学中强调工程理论 分清工程问题的性质 技术基础课程研究的核心问题就是应用基础科学理论分析描述实际工程问题，从而得到揭示工程过程客观规律的工程理论进而解决实际问题，因此，工程理论是技术基础课程的研究结果和精髓。例如，流体定常态流动时的机械能衡算式是进行工业管路分析及设计的重要工程理论；范宁公式提供了解决管路中流体流动阻力损失的计算方法；恒压过程方程式是进行恒压过滤设备分析及设计的基本关系式；传热的基本方程式是进行换热器设计的基本方法；填料层高度的计算式是进行填料塔分析及设计的重要工程理论；确定理论塔板数的各种方法为进行板式塔的设计及分析提供了理论工具。各个单元操作中都是通过对于工程问题的阐述、理论描述或者实验研究，得到一种或多种重要的工程理论。工程理论的重要性就体现在它的实用性。在应用工程理论处理实际问题时，一定要明确工程理论的应用条件。 表面看上去，实际工程中问题种类繁多，但是，根据问题的已知条件和待求物理量来分析，实际工程中的多种问题可以归纳为两大类，一是设计型问题，另一是操作型问题。设计型问题是指定了生产任务，在给定的某些生产条件下，进行设备的主要工艺尺寸或者性能参数的计算。操作型问题是在已有的设备中，在给定的某些生产条件下操作，进行所能够达到的生产操作结果的计算。现列举出重要的单元操作中的设计型问题和操作型问题如下。 1、流体输送流体流动及流体输送可谓是一项公用工程。以输送某种液体为例，典型的设计型命题如下。给定条件：（1）供液流量，即 ；（2）供液点至需液点的距离，即总管长 ；（3）管道材质及管件配置，即和 ；（4）需液点的势能，即和 。选择条件为管内流速（经济流速），中间变量为管内流体摩擦因数 。求解物理量：（1）最经济合理的管径；（2）供液点应提供的势能，即或 。如果供液点的势能由于客观条件的限制已无法改变，并且需要外加能量的话，则需要计算所需外加能量、外加功率的数值，以为了选择泵。如果选择离心泵，当然还应该进一步进行离心泵安装高度的计算。典型的操作型命题如下。给定条件：（1）管径；（2）供液点至需液点的距离，即总管长 ；（3）管道材质及管件配置，即和 ；（4）供液点可提供的势能，即或 ；（5）需液点的势能，即和 。求解物理量：可达到的供液流量，即 。另一种操作型命题为：给定条件是 ，求解物理量为 ，即利用已有的管路完成规定的输送量，确定管路供液点的条件。 2、沉降分离多相混合物的分离在环境工程中愈显重要。对于重力沉降设备以重力降尘室最常见。设计型问题是给定所要处理含尘气流的基本条件、p ，所要除去的临界颗粒粒径dpmin ，取定颗粒沉降运动状态，计算所需要的总沉降面积。若所需要的总沉降面积较小，则取单层降尘室，规划其底面尺寸；若所需要的总沉降面积较大，则规划取定降尘室的长与宽，计算所需要的隔板层数。典型的操作型问题是降尘室尺寸已经确定，并且已知含尘气流的基本条件、p ，规定所要除去的临界颗粒粒径dpmin ，核算降尘室的处理能力qV能够达到多少；或着给定气体流量qv ，核算降尘室所能除去的临界颗粒粒径dpmin 。对于离心沉降设备以旋风分离器最为常见，设计型问题是规定了气体流量和所要除去的临界颗粒粒径dpmin的情况下，计算矩形进口宽度也即确定旋风分离器的直径及其其他部位的尺寸。操作型问题是在规定了所要除去的临界颗粒粒径dpmin的情况下，计算气体的进口速度及气体流量。对于旋风分离器的工程计算问题来说，还应注意到阻力损失的大小。对于定型的旋风分离器来说，阻力损失的值与气体的进口速度的平方成正比，而与旋风分离器直径的大小无关。 3、传热传热是化工中最常用的单元操作。传热问题中所要计算的物理量较多，但最终由传热基本方程式以及热量衡算式将各物理量联系起来。传热的设计型问题是，由生产任务确定了传热负荷量，由生产条件确定了冷却剂（或者加热剂）的进口温度及出口温度，计算所需要的冷却剂流量（或者加热剂流量）和换热器的换热面积及主要尺寸。传热的操作型问题中都是换热器的面积及主要尺寸，以及操作方式已经确定，根据已知条件和待求量的不同，可分为两类。第一类操作型问题是已知冷、热两流体的流量及进口温度，计算冷、热两流体的出口温度；第二类操作型问题是已知热流体（或者冷流体）的流量、进口温度、出口温度，并且已确定了冷流体（或者热流体）的进口温度，计算冷流体（或者热流体）的流量及出口温度。对于第一类操作型问题的求解，传热单元数法是最有效的计算方法。 4、气体吸收气体吸收是分离气体混合物的重要单元操作。设计型问题是已知吸收分离任务，即气体处理量、进口气体中溶质组分的含量，规定了出口气体中溶质组分的含量，选择了吸收剂，计算：（1）吸收剂的适宜用量；（2）填料层的高度；（3）填料塔的塔径。吸收的操作型问题与 气体吸收中，典型的设计型问题是，规定气体流量、进塔组成，选定吸收剂及其进塔组成，计算：（1）吸收剂的最合理用量；（1）所需某种填料的填料层高度；（3）完成一定吸收任务所需要的最合理的塔径。吸收的操作型问题与传热的操作型问题很相似，也是分为两类。填料层高度、相关尺寸以及操作方式均已确定，第一类操作型问题是气体流量、液体流量及其进口组成为已知，计算气体、液体的出口组成。第二类操作型问题是已知气体的流量、进口组成、出口组成，并且已确定了液体的进口组成，计算液体的流量及出口组成。对于第一类操作型问题的求解，吸收因数法是最有效的计算方法。5、液体精馏液体精馏是分离液体混合物的重要单元操作。设计型问题是已知精馏分离任务，即原料处理量、原料组成，所要求分离产品的组成，计算：（1）分离产品的分配；（2）适宜的回流比；（3）理论塔板数及最适宜的进料位置；（4）实际塔板数及实际进料位置；（5）塔径。操作型问题是已知塔板数及塔的相关尺寸，在一定的原料加入量、原料组成、原料温度和其他条件下进行生产操作，计算所得分离产品的组成及塔内各层塔板上的物流组成分布情况。课程教学中，将各种工程问题给于分类，有利于培养学生善于剖析问题，抓住问题的本质，从根本上找出解决问题的思路、方法和步骤的能力。课程中各种单元操作工程理论的研究基本上都是沿着设计型问题的思路展开的，因此，教学中突出工程设计的意识和思维过程，即强化设计型问题，这既突出了各单元操作学习的目的性、真正弄清各单元操作工程理论的来龙去脉、培养了学生的工程设计能力，又同时奠定了学生分析解决工程操作型问题的能力，故可谓是一箭双雕。 液液精馏中，设计型问题是，规定原料流量、原料组成，指定精馏产品的组成，计算：（1）最适宜的回流比，（2）达到分离要求所需要的理论塔板数，（3）完成原料处理量最适宜的塔径。精馏中的操作型问题是塔板数及相关尺寸已知，计算在一定条件下操作时，所得产品的组成。或者当某一生产参数发生变化后，分析及计算其他生产指标的变化，通常对于这种操作型问题的分析所涉及到的问题较多，是较为复杂的。三、教学中对于学生加强工程设计能力的训练 工程性课程的主要教学目的就是要对于工科学生加强理论联系实际的示范教育，培养学生的工程概念、工程意识、分析工程问题、解决工程问题的能力，培养工程业务素质。这种培养既体现在通过基础科学理论得到工程理论的教学过程中，又体现在如何应用工程理论，解决各类工程问题的教学过程和训练过程中。教师在备课时就要建立起这种观念，在授课的过程中，通过讲解、举例题、精选课后习题，尤其是开展阶段性综合小设计课题训练等，对于学生加强工程理论应用能力的培养和工程设计能力、计算能力及文字表达、图面表达、语言表达综合能力的训练。课程小设计应注意科学选题，设计课题应具有技术上先进、实用性强、训练性强的特点。本人在教学过程中，通过对化学工程与工艺专业学生进行这一教学模式的探索性实施，尤其是开展阶段性综合小设计课题训练，学生