基于應用型人才培養的化工分離工程課程教學的研究

沈國良 班玉鳳 朱海峰 徐鐵軍 朱 靜 劉紅宇 宋菊玲

(沈陽工業大學石油化工學院，遼寧 遼陽 111003)

化工分離工程是研究化工生產過程中物質分離與純化的工程技術學科。許多天然存在的物質都是以混合物的形式存在、化學反應產物一般都是混合物，要從其中獲得具有使用價值的一種或幾種產品，必須對其進行分離。化工、煉油、醫藥、食品、冶金、材料等工業生產過程中大量采用分離技術，以獲得符合使用要求的產品。分離過程還是環境保護中用于污染物清除、分離以及資源化的一個重要環節。

2015年，化學工程與工藝專業被遼寧省教育廳確定為向應用型轉變教學改革試點專業，作為必要的專業課程，我們對化工分離工程課程進行了深入研究，面向應用型人才培養，對化工分離工程課程的教學體系、教學內容進行大幅度改革。

1 化工分離工程課程的地位與作用

分離技術目前的應用已不限于化學工業和石油化學工業，核工業用各種分離方法提取、生物化工用分離技術對高附加值的產品進行分離、微電子工業中對空氣進行凈化、環境保護中對SOX、NOX的清除等生產過程都離不開分離過程。

化學工程與工藝專業開設化工分離工程課程，就是為了使學生掌握實際化工生產過程(多組分的分離)中各種分離過程的基本原理、基本流程、基本操作、基本計算，掌握分離技術在化工生產過程中的實際應用，了解新型分離技術，并為學習化工工藝學、化工工藝設計等后續課程以及畢業設計、解決化工過程的實際問題打下牢固的基礎[1，2]。

長期以來，根據石油、石化、化工等行業以及整個社會對人才的需求，堅持不懈抓化工分離工程課程的建設，不斷進行教學改革，不斷探索提高課程教學質量的新途徑，在教學體系、教學內容、教學手段等方面開展了一些工作，取得了較好效果，2006年被評為遼寧省精品課程。

2 化工分離工程理論的形成與發展

1901年，戴維斯在多年的化工生產實踐中，逐步將化工生產過程各步驟加以分類，歸納為若干共性單元操作，在英國出版由他編著的世界上第一本《化學工程手冊》。在該書中把化工生產過程歸納為蒸發、蒸餾、吸收、結晶、透析等分離過程單元，從而確立了分離單元操作的概念。

1923年，美國麻省理工學院的劉易斯和麥克亞當斯合著的《化工原理》出版，推出了傳質與分離單元操作的定量計算方法，化工分離工程的理論初見端倪。

20世紀20至30年代，一批分離工程著作先后問世，先后出版了包括魯賓遜的《精餾原理》(1922)與《蒸發》(1926)、劉易斯的《化工計算》(1926)、舍伍德的《吸收與萃取》(1937)等著作，使化工分離工程的理論得到完善。

20世紀前期，在總結化工生產實踐經驗的基礎上，形成了化工分離單元操作的概念；20世紀中期，分離工程理論得以充實和完備；20世紀后期，分離技術不斷深化與拓寬。分離單元操作作為過程工業中的一個不可缺少的環節，在化學工業與相關工業中起著重要且不可替代的作用。分離技術的發展和不斷進步正促進著化學工業與相關工業的發展，提高了相應的生產技術水平。

按物理化學原理，工業上常用的化工分離操作可分為平衡分離過程和速率分離過程兩大類：(1)平衡分離過程是借助于熱能、溶劑和吸附劑等媒介，使均相混合物變成兩相，包括氣液傳質過程(蒸餾、吸收等)、液液傳質過程(萃取等)、氣固傳質過程(吸附等)、液固傳質過程(離子交換、浸取等)；(2)速率分離過程是在濃度差、壓力差、電位差等推動力作用下，利用各組分的擴散速率差異進行分離，包括膜分離(超濾、反滲透等)、場分離(電泳、熱擴散等)。

3 化工分離課程體系與教學內容的改革

3.1 課程教學體系的改革

化工分離工程課程是化學工程與工藝專業的一門專業課。一個時期以來，化工分離工程課程教學體系僅限于理論教學、計算機輔助簡單計算、實驗教學，其理論教學主要講授化工分離過程的基本原理、基本流程、數學模型的建立與求解方法，本應屬于計算機輔助計算的內容只介紹計算流程框圖[3]。

按照應用型人才培養目標要求，化工分離工程課程教學體系著力于知識應用能力的培養，教學內容注重針對性和實踐性，注意應用性與先進性、針對性與系統性、專業性與綜合性的關系。結合課程特點，新構建的化工分離工程課程教學體系包括理論教學、計算機輔助嚴格計算、流程模擬、實驗教學，強調了計算機在化工分離工程課程教學中的應用，形成了一個比較完整的理論與實踐相輔相稱的課程體系，以確保化工分離工程課程教學質量。其理論教學內容更加突出工程應用，將過去主要講數學模型的建立與求解方法的理論課教學內容，增加了設備及其操作、實際應用內容，加強了分析解決工程實際問題能力的培養；大量復雜計算采用計算機輔助計算，在課堂和課后作業上新引入常用的辦公軟件Excel進行輔助計算，每一部分內容都要求學生自己用計算機輔助計算；課程最后，將所學過的分離知識，按照分離設備工藝設計內容，采用過程模擬軟件Chem CAD和Aspen Plus進行計算。

化工分離工程課程實驗教學的目的是培養學生動手操作的能力和分析問題、解決問題的能力。根據專業學生培養要求及化工分離工程課程的特點，化工分離工程實驗不單獨設課，將化工分離工程課程的實驗內容合并到專業實驗課中，但要與理論課同步開出。現已經能夠開出工程性實驗2個、綜合性實驗1個。

考慮到實際化工生產過程中高大的分離設備不能親自動手操作，開展了用化工虛擬仿真替代部分化工實際生產現場操作，使化工分離工程課程涉及的分離過程操作通過仿真得以實現。

3.2 課程教學內容的改革

在化工分離工程課程教學過程中，為實現應用型人才的培養，課程教學內容突出做好：注重并貫穿對學生知識應用能力的培養，重視分離方法創新意識的培養；將過去主要講通過物料衡算建立數學模型與求解方法，增加了設備及其操作內容，使課程內容更加實用；教學內容注重針對性和實踐性、注意應用性與先進性；課程教學還配合實驗教學、化工仿真教學等內容。

化工平衡分離過程的計算是以平衡常數的計算為基礎的，嚴格的平衡常數計算過程非常復雜，一般平衡分離過程的嚴格計算只能通過編程由計算機來完成。編程比較麻煩，學生自己編程進行計算很難實現。現階段學生主要學習C語言，學生很少用C語言編程進行嚴格的平衡常數計算。因此，在以往的化工分離工程課程教學中，對平衡分離過程的嚴格計算只作簡單介紹，并不要求進行嚴格計算，在一定程度上限制了使用性教學，也影響了知識應用性教學，不用計算機計算意味著化工分離工程知識的學習沒到家。常用的辦公軟件Excel具有強大的運算功能，但過去一直僅用于簡單計算。實際上，充分利用Excel提供的運算功能，只需輸入相應的公式，無需編程，就能完成復雜的化工計算，計算過程簡單、直觀[4，5]，學生非常容易掌握。由于Excel具有較強的數組和公式的復制功能，所以使用Excel計算混合物性質具有無可比擬的優越性。化工分離工程課程嘗試將Excel用于分離過程的計算，既可以實現節省學生做練習的時間，又可在沒有編程的情況下對分離過程進行嚴格計算。

化工流程模擬技術利用計算機高超的計算能力解算化工過程的數學模型和模擬化工過程的性能。20世紀60年代初，FORTRAN、ALGOL、COBOL等高級語言相繼問世，為化工過程模擬的普遍應用提供了條件。各有關大學、研究機構和煉油、石化公司紛紛開始研制自己的模擬系統，到60年代末，化工流程模擬的概念被普遍接受。從20世紀70年代起，流程模擬的可靠性不斷提高，應用范圍不斷擴大，開始成為化學工程師的常規工具。商用模擬系統的規模日益擴大，功能不斷增強。到20世紀70年代末，流程模擬已得到普遍信任，化工過程模擬得到了工業界的普遍承認。進入20世紀80年代，化工流程模擬軟件的開發、研制走向專業化和商品化，從過去的分散在大學和各個煉油、石化公司轉向主要由專門的化工軟件公司進行。模擬計算的準確性和可靠性大大加強，應用范圍不斷拓寬，功能愈益豐富，使用越來越方便，并且涌現出一批著名的、影響廣泛的商業化軟件。從20世紀90年代開始，化工模擬的主要特點是從“離線”走向“在線”，從穩態模擬發展到動態模擬和實時優化，從單純的穩態計算發展到和工業裝置緊密相聯，化工過程模擬獲得了大范圍的推廣應用，不僅在設計、研究部門是必備的工具，在各煉油、石油化工企業中也廣為應用。隨著計算機計算能力快速提高和軟件技術開發的迅猛發展，流程模擬計算的準確性和可靠性大大加強，應用范圍不斷拓寬，功能也日益豐富，流程模擬計算軟件的應用越來越受到人們的重視。目前，化工流程模擬廣泛使用的主要軟件有Chem CAD和Aspen Plus。Chem CAD是美國Chemstation公司開發的，用于化工領域中工藝開發、工程設計、優化操作和技術改造，便于學習和掌握，一直受到廣大化學和化工技術人員青睞。Aspen Plus是美國能源部開發的化工流程模擬軟件，是一個生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬系統，采用化學工程師所常用的流程求解技術能夠實現對化工單元操作及整個工藝流程的模擬，其功能強大、應用廣泛的一種過程模擬軟件系統。從工程能力上，要求學生能夠用現代流行的大型工具軟件Chem CAD、Aspen Plus等。為了滿足化工流程模擬軟件應用需要，根據多年教學經驗和對軟件的應用實踐，編寫了《流程模擬軟件ChemCAD在化工中的應用》一書，該書的重點是化工工藝計算、設計內容，詳細介紹了化工過程的計算及具體應用，注重實用性，便于掌握。

實驗教學與理論教學有機結合、同步進行，增強了學生工程意識，顯著地提高了學生實際動手能力和解決問題的能力。實驗與實際應用緊密相結合，激發了學生的學習熱情，調動了學生的積極性，實踐動手能力明顯提高。

4 結 語

化工分離工程課程按照新構建的課程體系組織教學，將傳統教學與現代教學有機結合，充分利用計算機輔助教學，解決化工分離實際生產過程的多元組分復雜計算問題，符合應用型人才培養目標要求，極大地促進了學生分析實際問題能力的提高。

應屆畢業生以及歷年畢業生認為化工分離工程課程教學理論聯系實際、注重應用。他們學到了化工分離工程的基本知識、基本應用，培養了他們的工程能力。同時，也學到了分析問題、解決問題的方法，提高了他們的實際應用能力，為工作打下了很好的基礎。

現代科學技術的迅速發展，分離技術將得到進一步的發展和提高，給化工分離工程教學提出了許多新的課題，面臨著巨大的挑戰和機遇。

[1] 刁顯珍，陳以會，許靜. 化工分離工程課程教學改革與實踐[J]. 重慶科技學院學報(社會科學版),2013，(9)：203～205.

[2] 朱靖，劉永光. 化工分離工程教學改革與實踐[J]. 河北理工大學學報(社會科學版)，2011，11(3)：100～102.

[3] 李偉，朱家文，徐心茹 等. 現代化工模擬軟件在分離工程課程教學中的應用[J]. 化工高等教育，2007，(2)：66～68.

[4] 班玉鳳，常圣泉，朱海峰 等. EXCEL在非理想系泡露點計算中的應用[J]. 計算機應用與軟件，2010，27(11)：181～183.

[5] 班玉鳳，朱海峰，朱靜 等. 基于Excel計算復雜的流體混合物的化工熱力學性質[J]. 計算機應用與軟件，2011，28(10)：275～277.