設計典型例題培養綜合能力

[摘 要]化工原理是化工及其相關專業的一門重要專業基礎課程。結合多年的教學實踐，探討怎樣從典型例題的設計和選擇著手，深化化工原理的教學改革，提高化工原理課程的教學質量，完善學生的工程意識，培養學生的創造性思維和綜合能力。

[關鍵詞]化工原理；教學方法；典型例題；綜合能力

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）12-0073-03

化工原理是化工類及其相關專業中一門實踐性和工程性都很強的專業基礎課程，其教學目的是使學生了解常用化工設備的形式及其操作，樹立正確的工程觀念，熟悉一般的工程方法，掌握化工生產過程中各種單元操作的基本原理和工藝計算[1][2]。其內容涉及多門學科，不僅內容龐雜，而且交叉性強，理論和工程應用面廣[3]，學生難以學懂學透[4][5][6]。在實際教學過程中經常會出現“教師已經講了多遍，題目也已練了多道，學生仍然不能獨立解決問題”的局面。習題教學，是化工原理教學過程中的重要環節，它對于學生透徹理解和掌握所學知識，提高分析解決問題的能力起到很大的促進作用。多年來的教學實踐證明，設計和選擇恰當的典型例題，進行適當的拓寬練習，可達到事半功倍的效果。

一、設計和選擇典型例題的原則

通過典型例題的教學，可以深化學生對教學內容的認識和掌握，培養學生分析和解決工程實際問題的能力。教師在設計和選擇典型例題過程中應注意以下幾個原則。

（一） 思想性、啟發性原則

通過典型例題講解訓練，加深學生對基本教學內容的理解，啟發學生尋找所學知識應用的結合點，幫助學生掌握各種基本概念和工程觀念，使解題過程成為學生在校學習期間進行理論聯系實際的一個重要途徑。

（二）代表性、開放性原則

教師在設計和選擇例題時，應多注意在作業批改、習題課及試卷批改等教學過程中發現的學生掌握比較薄弱的或易出錯的知識點，并進行概括總結，做到有的放矢，這有利于學生加深對基本概念的理解、重點知識的掌握。此外，設計和選擇的例題必須具有較強的吸引力，能激發學生的學習興趣。因此，盡可能是一題多解，給學生以自由發揮的空間，不僅要學生應用所學知識解決實際問題，而且能激發其興趣愛好，培養自信心，增強成就感。

（三）實用性、工程性原則

例題是引領學生重視知識應用的重要途徑，通過例題進一步討論所涉及的工程問題，完善對工程意識的建立，鞏固工程觀念，透過問題看本質，做到舉一反三。

（四）科學性、前沿性原則

設計和選擇例題時，應將當前學科最新研究的成果和動態融入其中，把新知識、新技術及時納入教學內容之中，實現培養知識新、適應能力強的人才要求。

二、典型例題分析

精餾是分離液體混合物最常用的單元操作，該章的特點是基本概念多，如精餾的原理、氣液相平衡關系、相對揮發度、理論塔板、回流比、靈敏板、恒摩爾流假定等；計算所用公式也比較多，如氣液平衡方程、q線方程、精餾段操作線方程、提餾段操作線方程等。該章的重點是精餾原理、精餾塔的設計型計算，難點是精餾塔的操作型計算。解決問題的工程方法是物料衡算和熱量衡算。在該章的復習總結課上，筆者設計選擇了下面這道例題，該例題幾乎包含了精餾章節的全部知識點。

由A、B組成的二元理想混合溶液，在絕對壓強為1.013×105 Pa的連續精餾塔內進行分離。已知進料的摩爾流量F為100kmol/h，其中輕組分A的摩爾分數xF為0.4。要求塔頂餾出液中輕組分A的摩爾分數xD為0.9，且其回收率不低于0.9。采用泡點進料，泡點回流，塔頂是全凝器，回流比為最小回流比的1.5倍，塔釜用間接蒸汽加熱。某溫度下輕組分A、重組分B的飽和蒸氣壓分別為7.98×104 Pa、3.19×104Pa。試分析或計算：（1）塔頂產品流量D、塔頂產品產出率；塔底產品中重組分B的回收率、塔底產品流量W及其組成xW；（2）相對揮發度α及最小回流比Rmin；（3）精餾段和提餾段操作線方程；（4）精餾段及提餾段氣、液兩相的摩爾流量；（5）理論塔板數及加料板的位置；（6）如果其他條件保持不變，只是將（5）中的加料板位置向下移一塊，則理論塔板數如何變化；（7）從塔底數起第二塊理論板上（塔釜可視為一塊理論板）流下的液體組成；（8）如果進料的熱狀態q值減小，其他條件保持不變，則理論塔板數如何變化；（9）如果進料中輕組分A的濃度減小，其他條件（包括理論塔板數）保持不變，則塔頂產品濃度、塔底產品濃度如何變化？

（一）應用例題，幫助學生加深對基本概念的理解

概念是理論和方法的基礎，只有準確地把握概念的內涵，才能掌握概念的本質屬性。因此，在教學中只要求學生死記硬背概念是不行的，必須注重理解其實質。

精餾分離的依據是各組分揮發性的不同。因此，相對揮發度α是精餾最重要的基本概念。根據相對揮發度的定義，是兩種組分揮發性之比，而揮發性是組分氣相中分壓與液相中摩爾分率之比，因此相對揮發度α通常可根據（1）計算：

D/F不變，當xF減小時，根據（9）式不難看出，會出現三種可能的情況。第一種xD變大、xW變小；第二種xD減小、xW增大；第三種xD、xW都下降。那么哪種是正確的呢？由于是泡點進料，因此，新、舊條件下精餾段操作線的斜率不變，即相互平行。應用圖解法，把3種條件下新、舊的操作線畫出來，從中可清楚地發現，對于第一種，理論板數NT變多，而第二種，理論板數NT變少，只有第三種，理論板數NT不變。可見，第一、第二兩種結果是不可能的，第三種是正確的，即進料組成xF降低，塔頂產品濃度xD、塔底產品濃度xW都下降。

（三）應用例題，幫助學生掌握重點和難點

精餾的操作和調節是精餾教學的難點，它是在精餾塔理論板數不變的條件下，依據一定的操作條件來預測精餾的結果；或者為了實現一定的精餾結果確定必需的操作條件。在實際化工生產中，當操作條件變化時預測產品質量如何變化；為了確保產品質量，可以采取哪些措施等。

對于例題中的第8問，首先要掌握進料的熱狀態q的定義及物理意義。顯然，根據q值的大小，進料的熱狀態有5種：1.冷液體進料；2.飽和液體進料；3.氣液混合物進料；4.飽和蒸汽進料；5.過熱蒸汽進料。如果其他條件保持不變，當進料熱狀態q值減小時，則精餾段操作線不發生變化，而提餾段操作線越遠離對角線，即越靠近平衡線，提餾段操作線與平衡線之間的距離越近，理論塔板數越多。

這似乎與我們已有的認識和經驗是相反的。那么，為什么會產生這種“反常”的現象呢？精餾的核心是回流，精餾的實質是塔底供熱產生蒸汽回流，塔頂冷凝使部分液體回流。根據全塔熱量衡算可知，塔頂冷凝量、進料帶入熱量與塔底加熱量之間是相互制約的。而以上進料熱狀態q值減小是以固定回流比R為基準，也即以固定塔頂冷凝量為基準。這樣，進料帶入熱量越多，即q值減小，塔底供熱量必然越少，這意味著塔釜上升蒸汽的摩爾流量V 減小，使提餾段操作線斜率L/V增大，提餾段操作線向平衡線靠近，所需理論板數增加。

如果塔釜供熱量不變，進料帶入熱量增加，精餾段上升蒸汽的摩爾流量V變大，塔頂冷凝量必定增大，回流比R相應變大，精餾段操作線斜率L/V將之增大，該線越靠近對角線而遠離平衡線，所需的理論板數就減少。顯然，這是以增加熱耗作為代價的。

根據作圖法求精餾塔理論板數可知，當進料選擇在精餾段操作線與提餾段操作線交點的那塊板時，所需的塔理論板數最少，該板即為最適宜的加料板。對于例題中的第6問，如果將加料板位置向下移一塊，即推遲進料，那么，畫的階梯在已越過精餾段操作線與提餾段操作線的交點后，仍然在精餾段操作線和平衡線之間畫，由于兩操作線交點以后，精餾段操作線與平衡線之間的距離更加接近，因此理論板數增多。

（四）應用例題，對學生綜合能力進行培養

在化工原理的教學過程中，對于一些典型例題，可以進行一題多解，以便學生熟練掌握所學知識。

然后對兩種解法進行比較總結，這對于提高學生分析問題和解決問題的綜合能力是大有裨益的。

（五）應用例題，對學生的創造性思維進行培養

在講授精餾時，一般只介紹塔頂產品中輕組分的回收率，計算每一塊塔板上氣、液兩相濃度時，一般也都是從塔頂數第幾塊。在例題中可反其道而行之，求塔底產品中重組分B回收率，求從塔底數第二塊上氣、液兩相的濃度。這樣，通過舉一反三，步步深入，可使學生對所學知識融會貫通。

對于第1問中求塔底產品中重組分B的回收率，由于塔底產品中輕組分A的濃度為xW，故重組分B的濃度為1-xW。同樣，由于進料中輕組分A的濃度為xF，故重組分B的濃度為1-xF。塔底產品中重組分B的回收率為：

三、結語

典型例題是提高學生各種能力的一種十分有效的教學形式，對化工原理教學起著至關重要的作用。教師在教學過程中要精心設計和選擇典型例題，不斷提高學生的學習興趣，充分調動學生的學習積極性，確保教學質量的穩步提高，實現應用型人才的培養目標。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 馮尚華，何國芳，趙仁高，等.化工原理的案例教學[J].化工高等教育，2010（6）：79-81.

[2] 夏清，陳長貴.化工原理（修訂版）[M].天津：天津大學出版社，2010：1-8.

[3] 秦正龍，黃芳敏.基于生活案例的化工原理課堂教學[J].高教論壇，2017（5）：18-19.

[4] 李晉.化工原理中類比法的研究與應用[J].化學工程與裝備，2012（7）：248-249.

[5] 楊楚芬，郭建維，魏關鋒.提高化工原理教學效果方法淺談[J].廣州化工，2012（9）：233-234.

[6] 鄭冀魯，武海棠，張軍華，等.提高學生學習化工原理課程積極性的一些探索[J].化工高等教育，2013（6）：99-101.

[責任編輯：陳 明]