以文丘里投藥設備項目驅動化工原理教學的探索與實踐

曹井國李 霞曹曉樂吳志國王春虎楊宗政

（1.天津科技大學化工與材料學院，天津 300457；2.天津大學藥物科學與技術學院，天津 300072）

化工原理課程是理工科的基礎課程，也是一門工具學科，它能幫助科研及工程人員實現從科學研究到實際生產、從理論設計到現實產品的跨越。但是，作為一門傳統課程，在教學過程中學生普遍反映公式多，難以掌握，此外，在進行單元操作學習過程中，學生對課程系統性和整體性理解較差，往往不能主動相互聯系，被動“灌輸”，教學效果不好，補考率和掛科率較高。為提高教學效果，教學部引進了單元操作實訓裝置，構建了從小試到中試的實驗訓練平臺，已經能夠較好的展示化工原理單元操作的完整過程，但由于過于單元化且操作過程相對復雜，學生接受程度較差，不容易上手，雖和實際工程接近，但沒有收到應有的教學效果。

近年來逐漸興起的以項目驅動為主線的教學法為解決這一問題提供了新思路。項目驅動教學（Project Based Teaching）模式是一種建立在建構主義（Constructivism）教學理論基礎之上的教學法，同時也是 CDIO（Conceive、Implement、Design、Operate，即構思、設計、實現、運行）理念所倡導的教學模式[1-2]。在這一過程中，通過項目驅動教學模式來提高學生綜合素質，這為彌補理論和實踐之間的差距提供了有力工具。

本教學部探索了項目驅動法在化工原理教學中的實踐和應用，取得了良好的教學效果，調動了廣大學生的學習積極性[3]。針對新工科認證關于解決復雜工程問題的要求，仍需構建具有鮮明教學特色的項目以推進項目驅動法的應用，本文以文丘里投藥設備的研究與開發為例，介紹本教學部在化工原理教學改革方面的經驗。

一、項目實施技術路線及可行性

以文丘里管投藥設備作為研發對象，該設備可實現大水面湖泊及寬水面河道的投藥作業。項目實施中吸收國內外現有技術，結合城市河道湖泊景觀水體環境方面等因素，進行城市景觀水體原位修復新型專用投藥設備的研究與開發，充分考慮城市景觀水體原位修復新型專用投藥設備應用的場合，針對設備投藥過程中的相關問題進行完善并優化；在工藝設計的基礎上，完成設備設計、結構設計和外觀設計。指導學生通過方案設計、詳細設計和裝配設計，經課上學習和課下討論、校核，并組織學生到生產企業交流，安排樣機的生產，采購標準件，加工制造非標準件，完成設備的整體的裝配，通過聯機調試，完成設備性能的測試，對照已有的工藝設計及功能要求，反復修正設備制造的工藝參數及功能參數；通過實際運行，驗證產品的投藥效果。

投藥設備的核心單元采用文丘里原理，在《化工原理》上冊第一章流體流動單元所學的流體計量設備，所學文丘里管是用于流體計量，在第三章固體流態化和機械分離，進行旋風分離器的演示實驗中，采用文丘里管將洗衣粉吸入空氣中，以便于模擬離心沉降過程，學生根據《化工原理》流體流動及輸送機械等知識，在檢索大量文獻的基礎上，進行文丘里投藥工藝及設備的研究與開發。根據野外作業要求設計任務，解決文丘里投藥設備工藝流程和抽吸流量等設計型問題，通過吸藥和噴灑實驗，修正操作參數，解決文丘里投藥過程的操作型問題，并通過課堂展示的形式進行交流互動。

二、文丘里投藥設備的工藝流程

學生通過檢索文獻，根據化工原理課程相關知識，基于野外作業的要求，設計了文丘里投藥裝置，工藝流程如圖1所示。

圖1 文丘里投藥裝置工藝流程圖

由圖1可知，設計的工藝流程為，將固體藥劑投入溶藥槽，水泵出水口管的一個支管與溶藥槽相連接，固體藥劑在溶藥槽與來水混合并溶解；水泵出水口管另一個支管輸送出的壓力水，經過流量計、壓力表至文丘里管，文丘里管下端設抽吸管，用于抽吸溶藥槽中的藥劑，抽吸上來的藥劑與壓力水在管道后端混合后，輸送至穿孔管噴頭，通過噴頭向水體中噴灑，達到藥劑投加的目的。此過程涉及的知識有流體流動和流體輸送機械，涵蓋管路計算和管路調節等。

投藥設備采用文丘里原理，高速流體流經文丘里管時，在文丘里管喉部形成負壓，從而抽吸溶藥槽中的藥劑，藥劑和壓力水混合后輸送至穿孔管噴頭完成噴灑。文丘里投藥設備的優點是其裝置簡單，操作方便，沒有運動部件，體積小，成本低廉而且吸藥溶解均勻；缺點是在吸藥過程中水頭損失相對較大，只有當文丘里管的進口壓力達到一定值時才能吸藥，一般的水頭損失為進口壓力的1/3左右，工作時對壓力和流量的變化相對較為敏感，其運行過程中工況的波動同時會造成藥劑投加量的波動。在教師指導下，項目組同學搜集了關于文丘里管原理的資料[4-6]，并調研多個生產廠家不同規格的產品，選擇了適合本項目的文丘里管（如圖2所示）。投藥設備采用揚程為50m，流量為8m3/h的柴油機水泵作為流體輸送機械，項目組同學對文丘里管吸藥能力進行了理論計算。

圖2 文丘里管

三、文丘里管吸藥能力的計算

根據現場條件，進口管路內徑為44mm，流體輸送流量約為8m3/h，運行中監測文丘里管上游壓力表讀數約為200kPa，忽略壓力表與管中心線距離，文丘里管喉管和吸藥管直徑均為11mm，吸藥管下端插入儲藥槽中，槽內水面到中心線距離為0.5m。截面分析如圖3所示。

圖3 文丘里管截面分析

分別以文丘里管進口處、喉管處及吸藥管末端作為研究對象，計算過程如下：

首先以進口截面和喉管截面為上下游（1-1和2-2）截面列機械能衡算式：

式（1）中：z1、z2——進口截面和喉管截面處位頭，m水柱；

hf1-2——進口截面到喉管截面處水頭損失，m水柱，可忽略；

式中：d1、d2——進口截面和喉管截面處直徑，m；

即理論上可以產生5.8m水柱的真空度，由上述計算結果可知，喉管處負壓與進口壓力及喉管處流速關系密切，微小變化就能引起極大的差異。

以儲槽液面和管中心截面為上下游截面 （3-3、4-4）列機械能衡算式，有：

公式（2）中：z3、z4——儲液槽液面和管中心處位頭，m水柱；

hf3-4——進口截面到喉管截面處水頭損失，可忽略；

已知 z3=0，z4=0.48m，p4=p2，u3=0， 計算得 u3=3.25m/s，吸藥管流量為：

通過課上討論及課下作業，安排全體學生對本部分內容進行了計算，通過講解，使學生對文丘里管的特征尺寸的計算有了更直接的認識，對化工原理中的機械能衡算式應用，特別是截面選取、連續性方程有了更為深入的認識。

四、文丘里管吸藥能力的驗證

為了驗證文丘里管的吸藥能力，在教師指導下，由項目組同學設計了三組實驗，將鎖磷劑粉末配置為5%、10%、20%的3種濃度藥劑，裝入2L的塑料瓶中，按設計高度擺放，對吸藥完成時間進行計時，計算抽吸流量，操作時控制文丘里管入口流量為8m3/h，入口壓力約為200kPa，實驗結果如表1所示。

表1 液體藥劑投加實驗

由表1可知，文丘里管吸藥實驗過程中，在藥劑濃度分別為5%、10%和20%情況下，液體藥劑的吸上流量分別為18.0L/min、17.6L/min和17.5L/min，對應固體藥劑投加量分別為9kg/min、1.76kg/min和3.5kg/min，當藥劑濃度為20%時，投藥量可達到設計要求。之后，在文丘里管出口管路上安裝橫向穿孔管，對噴灑效果進行了觀察，如圖4和圖5所示。

圖4 加藥裝置

圖5 噴藥實驗

實驗過程發現，由于穿孔管穿孔面積小，導致阻力損失較大，在穿孔管前端壓力較高，導致文丘里管吸液量減少，項目組同學研究后，決定將穿孔管打孔直徑由3mm擴增到5mm，平衡吸液量和投藥量之間的關系，結果表明，噴灑距離可達1-2m，滿足設計要求。之后，由外聘的兩名工程師進行了應用試驗，驗證實際投藥效果，試驗在天津市東麗區某池塘進行，其現場投藥效果如圖6所示。

圖6 實地投藥試驗

柴油泵和溶藥箱總重約為150kg，運行重量約為300kg，由圖6可知，投藥裝置能夠安放到橡皮船中，在湖泊或河道內移動，由兩人操作，可實現藥劑的噴灑，能夠滿足設計要求。

通過實驗驗證，在解決操作性問題的同時，項目組的同學們對課程的理解更為扎實，學生們的動手能力和解決實際問題的能力得到了較好的鍛煉，并獲得了成就感，堅定了學好本門課程的信心。通過課堂展示的形式，將項目設計過程和操作過程與同學們分享和交流，進一步提高了學生的表達能力，課堂氣氛活躍，提高了其他同學對于本部分知識的理解，輻射作用效果明顯，為進一步開展項目驅動教學奠定了基礎。

五、結束語

在課題實施過程中，先后共有2批次共8名在校大三本科學生組隊參與了本項目。在指導教師的引導下，結合所學化工原理知識，系統地進行了產品的工藝設計、文丘里吸藥管的計算、實驗驗證和產品調試運行等過程，通過實際項目的訓練，在項目驅動教學思路下，使學生深刻理解設計型問題和操作型問題，通過團隊協作，動手操作，理論聯系實際，鞏固了流體流動和輸送機械的相關知識。

采用項目驅動教學法，有助于加深學生對所學化工原理知識的理解，提高系統性和完整性，領會設計型問題和操作型問題的區別，加深理論聯系實際的認識。通過資料檢索使學生們帶著問題有目的的去檢索關于文丘里管應用方面的資料，從而深入理解了文丘里的原理，拓展了學生的知識面；通過工藝設計理論計算環節，使學生對文丘里管的特征尺寸的計算有了更直接的認識，對化工原理中的機械能衡算式應用、連續性方程應用和截面選取等知識內容進行了鞏固。在實驗操作和產品制造環節還能培養學生們的動手能力和團隊協作意識。通過以上各個環節的訓練使學生主動學習相關知識并靈活應用，最終得到自己設計出的產品，獲得成就感，增強學習信心。

本項目基于流體流動及輸送機械原理進行設計、實驗和運行，與化工原理課程結合緊密，該項目實施過程，涉及到化工原理課程多個知識點，有助于學生對課程的理解，綜合解決設計型問題和操作型問題，培養學生解決復雜工程問題能力，適合作為項目驅動教學法下的教學案例，基于此形成的成果還可作為學生創新創業比賽的素材，發揮化工原理課程的應用和創新價值。