工程教育下分離工程教學(xué)改革研究

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［摘要］對照工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)方案中十項畢業(yè)要求，重點(diǎn)從掌握基本理論知識、運(yùn)用所學(xué)化工專業(yè)理論和技術(shù)手段分析并解決化學(xué)工程問題、掌握基本的創(chuàng)新方法且具有追求創(chuàng)新的態(tài)度和意識三個方面展開討論，從教學(xué)理念、教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)手段等角度提出了分離工程課程的教學(xué)改革設(shè)想。

［關(guān)鍵詞］工程教育；專業(yè)認(rèn)證；分離工程；教學(xué)改革

1工程教育專業(yè)認(rèn)證背景

我國的工程教育專業(yè)認(rèn)證由中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會組織實(shí)施，始于1993年土建類專業(yè)評估，2006年正式在多個專業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤?，迄今己走過9年的發(fā)展歷程，其目的是：構(gòu)建工程教育的質(zhì)量監(jiān)控體系，推進(jìn)工程教育改革，進(jìn)一步提高工程教育質(zhì)量；建立與工程師制度相銜接的工程教育專業(yè)認(rèn)證體系，促進(jìn)工程教育與工業(yè)界的聯(lián)系，增強(qiáng)工程教育人才培養(yǎng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性；促進(jìn)中國工程教育的國際互認(rèn)，提升我國工程技術(shù)人才的國際競爭力。

2結(jié)合畢業(yè)生十項畢業(yè)要求中的主要三項，提出課堂教學(xué)改革具體措施

結(jié)合專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，我?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)方案中明確規(guī)定了本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)時應(yīng)達(dá)到十項畢業(yè)要求?！斗蛛x工程》課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，在化工熱力學(xué)和化工傳遞過程知識的基礎(chǔ)上，采用理論與實(shí)踐密切結(jié)合的方式，詳細(xì)闡述各類分離過程（精餾、吸收、解吸、萃取、膜分離、吸附、浸取、結(jié)晶和干燥等）的物理化學(xué)原理、設(shè)計計算方法、工業(yè)應(yīng)用、主要設(shè)備、數(shù)學(xué)模型和計算機(jī)應(yīng)用軟件，并展示分離過程學(xué)科的發(fā)展歷史和主要進(jìn)展。本文針對《分離工程》課程貢獻(xiàn)于畢業(yè)生十項畢業(yè)要求中的主要三項，分別展開討論。

2．1掌握扎實(shí)的化學(xué)工程基礎(chǔ)知識和本專業(yè)的基本理論知識，具有系統(tǒng)的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)經(jīng)歷，了解本專業(yè)的前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

按照該項要求，我們在授課中，一方面強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論知識的學(xué)習(xí)，對復(fù)雜及多樣性的分離技術(shù)按原理進(jìn)行分類，如：通過加入分離媒介生成兩相的分離為平衡分離，如精餾、吸收等；不需要加入分離媒介，以壓差、濃度差、電位差等為推動力的分離過程為速率分離，如膜分離；對多組分精餾計算由淺入深展開，由假定理想情況下的簡捷法計算入手，建模用MESH方程開展嚴(yán)格法計算，為解決實(shí)際工業(yè)應(yīng)用問題奠定了理論基礎(chǔ)。并強(qiáng)調(diào)本專業(yè)知識和化工原理、化工熱力學(xué)、化工設(shè)備等其他專業(yè)基礎(chǔ)知識的對立統(tǒng)一，如在介紹最小回流比知識點(diǎn)時，要注意比較多元精餾與化工原理中介紹的二元精餾中最小回流比的異同點(diǎn)，二元精餾中最小回流比下，進(jìn)料板上下出現(xiàn)一個恒濃區(qū)，可通過作圖法求解；而多元精餾體系中最小回流比下出現(xiàn)了兩個恒濃區(qū)，且恒濃區(qū)出現(xiàn)的位置視待分離組分性質(zhì)的不同而不同，通常利用Under－wood（恩德伍德）方程求解；再比如在介紹相平衡常數(shù)的求解時，要結(jié)合化工熱力學(xué)課程中活度系數(shù)法及逸度系數(shù)法，進(jìn)一步鞏固兩種求解方法的優(yōu)缺點(diǎn)。另一方面結(jié)合行業(yè)發(fā)展前沿趨勢，介紹新興分離技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。如泡沫分離技術(shù)，它根據(jù)表面吸附的原理，借鼓泡使溶液內(nèi)的表面活性物質(zhì)聚集在氣液界面（氣泡的表面）上浮至溶液主體上方形成泡沫層，將泡沫層和液相主體分開，就可達(dá)到濃縮表面活性物質(zhì)和凈化液相主體的目的。近年來，在染料、皮革、石油化工工業(yè)污水中降低化學(xué)耗氧量、色素、有機(jī)化合物等，在濃度為ppm級的大量稀溶液中回收貴金屬、稀有金屬或除去有害物質(zhì)等工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。還有近年來崛起的一種新興膜分離技術(shù)：液膜分離，即以液膜為分離介質(zhì)、以濃度差為推動力的一種膜分離過程。由于其分離選擇性高、通量大而受到關(guān)注，在烴類混合物的分離、廢水的處理及生物醫(yī)學(xué)上如液膜人工肝、人工肺、人工腎等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工程實(shí)踐方面，我們分別組織學(xué)生參觀了中國石化集團(tuán)安慶石油化工總廠及中鹽安徽紅四方股份有限公司，并結(jié)合課程內(nèi)容，重點(diǎn)介紹煉油工藝中的常減壓蒸餾裝置及原料氣凈化處理過程中的吸收裝置。如吸收設(shè)備中噴霧塔、調(diào)料塔、板式塔的選擇，填料塔中各種填料如鮑爾環(huán)、脈沖填料、網(wǎng)孔柵格的選擇，塔高的計算等，在實(shí)踐中強(qiáng)化理論知識的學(xué)習(xí)，并將課本中的公式及知識應(yīng)用到工廠案例中去。

2．2具備設(shè)計和實(shí)施工程試驗(yàn)的能力，并能夠?qū)υ囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行分析；具有綜合運(yùn)用所學(xué)化工專業(yè)理論和技術(shù)手段分析

并解決化學(xué)工程問題的基本能力主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計、能正確地操作實(shí)驗(yàn)裝置，安全地開展實(shí)驗(yàn)、能正確地采集、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)、分析、解釋，并且掌握工程實(shí)踐、科學(xué)研究與工程設(shè)計的基本方法，能夠?qū)⑺鶎W(xué)課程有機(jī)聯(lián)系起來，對化學(xué)工程基本問題，加以分析并予以解決。針對該項要求，我們在課程教學(xué)中，將課程和專業(yè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。如在介紹反應(yīng)精餾章節(jié)時，以催化反應(yīng)精餾制甲縮醛為例，該實(shí)驗(yàn)為典型的工程與工藝結(jié)合的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，以甲醇和甲醛為反應(yīng)原料，濃硫酸為催化劑，在常壓下通過反應(yīng)精餾法制備甲縮醛。教學(xué)過程中，我們引導(dǎo)學(xué)生先思考傳統(tǒng)合成、分離工藝，找出問題，尋求改進(jìn)后的工藝流程。傳統(tǒng)工藝采用先反應(yīng)再利用精餾技術(shù)分離，存在反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低、未反應(yīng)的稀甲醛回收困難、稀甲醛的濃縮產(chǎn)生甲酸嚴(yán)重腐蝕設(shè)備等問題。為解決傳統(tǒng)工藝存在的問題，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合本章節(jié)內(nèi)容，采用反應(yīng)精餾工藝。新工藝的優(yōu)點(diǎn)：1．甲縮醛氧化所得甲醛與水的摩爾比為：醛／水＝3，可直接作為三聚甲醛的原料，不必濃縮。2．甲縮醛的合成可在較低溫度（44～80℃）下進(jìn)行，避免了甲酸生成，解決了設(shè)備腐蝕問題。新工藝的關(guān)鍵技術(shù)：甲縮醛的合成與分離。實(shí)驗(yàn)過程中既需要考察反應(yīng)工程影響因素如溫度效應(yīng)、濃度效應(yīng)及其他工程因素，同時要考察精餾技術(shù)影響因素如回流比、塔頂采出率及塔釜加熱量等。綜合考慮后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置，確定擬考察的工藝參數(shù)，且采用正交設(shè)計來制定本實(shí)驗(yàn)的方案，則根據(jù)實(shí)驗(yàn)涉及的影響因子，并假設(shè)每個因子取兩個水平，可得到如下實(shí)驗(yàn)條件表，如表1所示。最后整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)范作圖。

2．3掌握基本的創(chuàng)新方法，具有追求創(chuàng)新的態(tài)度和意識；具有綜合運(yùn)用理論和技術(shù)手段設(shè)計系統(tǒng)和過程的能力

該項要求可分解為以下指標(biāo)點(diǎn)：運(yùn)用所學(xué)知識，初步設(shè)計化工操作單元、設(shè)備及工藝過程；在各化工設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。結(jié)合該指標(biāo)點(diǎn)，我們鼓勵學(xué)生利用課余和節(jié)假日時間開展大學(xué)生科研實(shí)踐訓(xùn)練、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計劃、學(xué)科競賽等課外實(shí)踐與創(chuàng)新活動，引導(dǎo)學(xué)生“在學(xué)習(xí)中研究、在研究中學(xué)習(xí)”，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，提升本科生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。我們將課程教學(xué)與本科生畢業(yè)設(shè)計相結(jié)合，并利用課程設(shè)計環(huán)節(jié)綜合應(yīng)用所學(xué)知識點(diǎn)，統(tǒng)籌分離工程課程與其他專業(yè)基礎(chǔ)課程，并在分離工程的課程教學(xué)中以往年畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容為案例加以剖析。如結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題“乙烯裂解氣脫甲烷系統(tǒng)的工藝設(shè)計”，涉及到脫甲烷精餾塔的計算，這是典型多組分精餾塔計算的一個案例。首先確定關(guān)鍵組分是甲烷和乙烯，其中輕關(guān)鍵組分是甲烷，重關(guān)鍵組分是乙烯。塔頂分離出來的甲烷輕餾分應(yīng)使其中的乙烯含量盡可能的低，以保證乙烯的回收率。而塔釜產(chǎn)品則應(yīng)是甲烷含量盡可能低，以確保乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量。我們利用AspenPlus過程模擬軟件高效地完成了工藝計算及參數(shù)的優(yōu)化。采用DSTWU模塊開展簡捷法物料衡算、能量衡算，所得回流比與理論板數(shù)關(guān)系曲線如下圖1所示；并將簡捷法計算結(jié)果作為初值代入RadFrac模塊進(jìn)行嚴(yán)格法計算，并進(jìn)行靈敏度分析，橫坐標(biāo)為混合進(jìn)料位置，縱坐標(biāo)為塔頂甲烷的純度（摩爾分率），得到關(guān)系曲線如圖2所示。通過該設(shè)計案例的開展，一方面使得學(xué)生們統(tǒng)籌所學(xué)多組分精餾知識點(diǎn)去思索如何解決工業(yè)上的實(shí)際問題，另一方面在分析實(shí)際工業(yè)案例時，又強(qiáng)化了同學(xué)們對多組分精餾簡捷法計算及嚴(yán)格法計算的理解和綜合應(yīng)用。

3結(jié)束語

分離工程課程在教學(xué)過程中，我們以化學(xué)工程與工藝本科專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向，在對“工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，以工程實(shí)際為切入口，把分離技術(shù)的理論與方法融入應(yīng)用實(shí)例，將分離工程基礎(chǔ)理論與化工工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步突出了分離工程的課程特點(diǎn)及實(shí)用性，而且根據(jù)現(xiàn)代化工的發(fā)展方向及時調(diào)整、更新課程內(nèi)容，加強(qiáng)化工新型分離技術(shù)分析，讓學(xué)生更堅實(shí)地掌握分離工程的基本理論，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

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［4］鄧修．化工分離工程［M］．北京：科學(xué)出版社，2011．

作者：胡大喬 吳明元 單位：安徽大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院