工程模型嵌入化工原理教學的探討與研究

王麗麗，吳 英，王守玲

(池州學院 化學與材料工程學院，安徽 池州 247100)

化工原理課程是化工類及相近專業的一門主要技術基礎課，是化工類及相關專業必修的一門主干課，主要講述化工生產過程中單元操作的基本原理、計算方法和典型設備的結構、操作性能及設計計算等，化工原理課程實踐性強，各單元操作均與生產實踐緊密聯系[1]。然而教學以來，化工原理因其公式多、系統性差、知識面廣、應用性強、內容抽象等特點，給學生的學習帶來很大困難。學生在化工原理學習過程中普遍出現設備模型知識匱乏，實踐能力差，學習興趣低下等問題，這不利于當代工科應用性人才的培養目標[2-4]。在有限的化工原理課程課時教學內，如何做到理論聯系實際，提高學生應用性工程觀念及素養？許多教師在化工原理教學過程中進行了積極的探索，取得了良好的效果[5-8]。為提高學生的綜合能力和解決實際問題的能力,進而達到激勵學生主動參與教學活動、提高教學效果的目的，作者采用流程模擬軟件Aspen Plus建立工程模型嵌入化工原理教學中，并對該實際工程模型引入做了相應的分析。本篇擬以含硫尾氣吸收的流程為研究案例展開對化工原理相關章節教學研究。

1 工程模型引入方法

1.1 直接引入法

直接引入法即講授新課前教師開門見山地點明與講課內容相關的工程模型，提綱挈領地介紹該工程模型，突出該模型在本章節中的應用，使學生的注意力盡快轉移到所要解決的問題上來，取得學習主動權。在化工原理吸收章節的學習過程中，涉及吸收的機理理論及該傳質單元相關工程數據的推導計算。學習完這些理論知識后，直接引入含硫廢氣項目，以實際的工程項目為邏輯主線，讓學生帶著解決工程問題的追求進行課程學習。運用所學該操作單元的基本知識，建立一個含硫氣體吸收的定態逆流流程模型。在選擇氣體吸收的方式時學生依據所學知識有并流和逆流兩種，按項目要求選擇定態逆流?？山⑷鐖D1簡單的定態逆流吸收模型。

圖1 含硫廢氣的吸收工藝流程

引用工程模型教學，增進學生得學習興趣和動力，充分調動學生學習的積極性和主動性，在有趣緊張的學習環境中掌握各單元操作的基礎理論知識，加深對案例所涉知識點的認知程度，培養學生綜合運用理論知識分析和解決各種工程實際問題的能力。通常案例教學是通過分組進行的，學生在討論中學會了與人的溝通，這也培養了學生團隊協作能力。另外，教師在構思設計課程項目的過程中，促使教師對所授課程有更深層次的理解，更新教學觀念，從學校走向生產實際，了解企業的生產實際、熟悉工作過程，通過各種方式，跟蹤生產技術和工藝的發展水平與變革，從而保證和提高教學質量，促進教學效果的提升。

1.2 啟發引入法

啟發式教學是指教師根據教學目標，從學生的知識基礎、思想水平、學習水平、接受能力等實際出發，采用各種教學啟發手段，充分調動學生學習的積極性，充分發揮學生在學習中的主體作用，使他們通過積極的思維、操作、演練，主動地獲取知識和發展智能。在化工原理教學中，如何運用啟發式教學法建立工程模型進而引起學生的學習興趣與共鳴呢？如在第五章氣體吸收的學習過程中，如何依據所學知識把得到的吸收液中的H2S釋放出來？那么就涉及到含硫溶液的解吸問題。運用Aspen Plus模擬軟件在氣體吸收流程的基礎上繼續建立解吸流程如圖2所示。圖中采用低溫甲醇作為吸收劑，解吸過程則采用甲醇蒸汽汽提吸收液中的H2S，避免雜質組分的引入污染吸收液。將這過程的流程建立所涉及問題提問學生。例如過程中為什么在吸收單元采用低溫吸收呢？為什么解吸單元需要加熱呢？氣體混合物的分離包括吸收和解吸兩個過程，這樣既實現了氣體混合物的分離，又實現了對氣體混合物中有用物質的回收。

圖2 含硫廢氣吸收和解吸工藝流程

2 基于化工原理理論機理的工程模型建立

化工原理的教學屬于應用型教學，教學過程中涉及對所學章節的實際運用。隨著e時代的到來，采用新型模擬軟件輔助教學理論是必然的發展趨勢。因此提高學生綜合運用所學知識建立過程模型，解決相關實際問題至關重要。本文擬采用流程模擬軟件Aspen Plus作為案例分析的輔助工具。在化工原理章節教學的結尾，列舉相關運用Aspen Plus建立單元操作的工程案例，并提出需要解決的相關工程問題，引導學生綜合利用本單元操作所學知識，解決該工程問題 。繼續以吸收章節的含硫廢氣吸收為例。依據所學吸收章節的理論知識，涉及對吸收過程的設計型計算，如求解吸收劑低溫甲醇的用量、吸收塔的塔板數的計算和填料層高度的計算。基于吸收機理，采用Aspen Plus模擬軟件建立模擬工藝流程圖如圖2所示，并運用靈敏度分析工具可有效優化出最佳工藝參數如圖3所示。

圖3 靈敏度分析(Sensitivity)工具

3 結論

本文采用流程模擬軟件Aspen Plus作為輔助工具，建立化工原理相關工程模型以激發學生對化工原理課程的學習興趣，提高教學質量。初步實踐效果顯示，已經實施的工程模型輔助教學的方式非常受歡迎，學生對該輔助軟件的學習比較感興趣，并能成功解決相關工程問題，加深了對化工原理難點的理解與運用。在工程模型引入化工原理教學在一定程度上培養了學生的自學能力，解決實際問題的能力、表達能力、團隊協作能力。自實施模型教學以來，已有連續兩屆畢業生通過自學Aspen Plus軟件完成畢業設計工作，反響較好。然而，由于教學課時的有限性，目前工程模型的嵌入式教學模式還停留在小班教學中，今后還需要擴大該應用范圍，培養更多適于化工人才 需求的產學研結合的大學生。