“案例法”在煤化工工藝學中的運用與創新

李偉偉，高 璟，申紅艷，焦緯洲，祁貴生

( 1.中北大學 化學工程與技術學院，山西 太原 030051；2.中北大學 化工綜合國家級實驗教學中心，山西 太原 030051)

2017年4月8日，由教育部組織，在天津大學召開“新工科建設研討會”上提出“新時代需要培養造就一大批多樣化和新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐”[1-9]。由此可見，工程人才知識體系的構建和專業知識的“重構”是國內高等教育改革的基礎。煤化工工藝學作為化學工程與工藝專業由知識到能力轉化的一門重要的專業課，其改革勢在必行。

多年來，高校對煤化工工藝學的知識的講解大都停留在知識層面[10]，對其他課程的知識，如化工原理、反應工程、化工熱力學以及化工傳遞等在煤化工工藝學的應用往往講授不夠，使得學生的知識往往比較零散，缺乏系統性，不利于學生知識體系的構建。

在“新工科”的背景下，國家對工程復合型科技人才提出了嶄新和較高的要求，企業往往對具有工程實踐能力和工程技術經驗的人才尤佳青睞。工科大學生在面臨良好的發展機遇的同時也面臨著巨大挑戰，如何對學生復合型知識和能力的培養及提升是擺在高校面前一個重要的問題。

為了適應新時代和新工科的要求，本文著力從煤化工工藝學課程角度出發，通過耦合化工原理、反應工程、化工熱力學以及化工傳遞等課程知識，構建化工學生復合型知識和能力，以提升其專業水平，為國家和社會培養所需的工程復合科技型人才。

1 復合型知識和能力的課程的構建

根據煤化工工藝學課程特色與實際，通過案例教學的方法，設置“化工專業基礎知識的普查”、“化工專業基礎知識的應用”和“化工專業基礎知識的提升”三個層次的教學環節，培養學生“知識認知”、“知識理解”和“知識應用”三個方位的工程能力，構建“知識重構的復合型人才”。如圖1所示，以一個煤化工典型的工藝流程為代表，講解原料需要預熱和加壓到反應條件，其中涉及到化工原理中的換熱器、泵和風機等以及化工傳遞過程中的傳熱和傳動。隨后根據反應的吸放熱以及反應的體積變化情況，從熱力學角度分析對反應有利的條件。結合反應工程中加快反應速率的方法，如溫度、壓力、濃度和催化劑等。綜合熱力學和動力學的基礎上，選擇合適的反應條件。反應得到的產物往往是混合物，需要分離提純得到產品。其中分離方法(吸收、萃取、精餾、結晶和篩分等)的選擇尤為重要，從而與分離工程進行有機銜接。反應和分離過程中，需要控制條件(溫度、壓力、流量和液位等)使反應和分離朝著有利的方向進行，需要通過化工儀表的檢測來實現，這與化工儀表與自動化的課程進行銜接。

圖1 煤化工工藝學知識重構培養體系構建圖Fig.1 Construction diagram of training system for reconstructing knowledge of coal chemical technology

2 復合型知識和能力的培養體系的改革與實踐

“復合型知識和能力的培養體系”從以下三個層次進行相應的教學改革與實施。

2.1 化工專業基礎知識的普查

首先對化工原理、反應工程、化工熱力學、化工儀表與自動化和化工傳遞等專業課程內容進行普查，了解學生學過的“三傳一反”，基本單元操作，反應速率，反應平衡，化工過程的物料、熱量和動量的傳遞等知識點掌握程度。通過以上調研過程，對數據進行分析，形成總結，指導教學過程。針對熟練掌握和應用的知識點，圍繞教學目的和教學內容，言簡意賅的講授，將節省下來的時間用來更加細致地講解重點和難點。針對新增知識點，在講授時，以學生已有的基礎作為切入點，通過結合具體的工藝流程，設置引導性和討論性問題的方式組織課堂教學，幫助學生順利實現所學的化工基本原理等知識的應用，激發學生的探究欲望和創新性思維。

以化工班為例，在講解固體熱載體干餾工藝過程中，針對煤與固體熱載體如何進行分離，讓學生思考化工原理以及分離工程中所學的固固分離方法。固體熱載體與煤之間如何進行換熱的，聯系化工原理中的傳熱過程。費托合成過程中的反應是放熱還是吸熱，反應的體積是增大還是減小，如何在實際過程中兼顧動力學與熱力學等。

針對上述問題，學生對固固分離方法中的篩分比較陌生，針對此進行詳細講解，通過聯系生活中回收豆子的過程，來加深認識；學生對換熱方式普遍掌握較好，能基本判斷換熱方式，這部分內容就簡化講解。

在此基礎上，了解學生所學專業的課程內容安排，理清各個課程內容在工藝流程里面是如何體現的，進而針對性的安排《煤化工工藝學》課程內容，其與化工基本原理等課程內容順利銜接。

以化工班為例，針對合成甲醇工藝流程，讓學生判斷哪些是傳熱設備，哪些是流體輸送設備，產物分離的方法(吸收和萃取等)，從而與學生學習的化工原理中的單元操作結合起來，分析反應的吸放熱(如何移熱)和反應速率(如何加快反應，溫度和壓力)，與反應工程和化工熱力學進行銜接，反應物之間如何混合(氣泡?攪拌？)與化工傳遞進行緊密銜接。

2.2 化工專業基礎知識的應用

表1 案例問卷

在完成化工專業基礎知識的普查和講解的基礎上，通過設置問卷，給一個具體的工藝流程圖，讓學生自主回答問題，引導學生進行思考。如針對案例1-熱載體干餾工藝-托斯考(Toscoal)工藝設計問卷(表1)，首先讓學生明白化工過程的原料與產品，知道是一個生產什么的工藝，然后確定主要的反應器，僅僅圍繞圖2中所示的關鍵設備展開，反應有什么特點？在考慮熱力學限制的基礎上，如何加快反應速率(溫度，壓力，催化劑，反應物濃度的控制)，之后根據反應的要求，原料進行提純、升溫和升壓。如何選擇換熱設備(直接式換熱器和間接式換熱器)，氣體加壓(風機和壓縮機等)，液體加壓(離心泵和柱塞泵等)，從而使化工原理知識得到應用，反應產物需要什么分離方法？需要考慮混合物的特點，與分離工程順利銜接。最后對整個工藝流程圖進行描述。

具體教學過程如下，首先通過學生回顧前面講解的魯奇魯爾工藝，煤熱干餾的基本原理，引入本節。

原料和產品：工藝流程圖中的原料和產品是什么，原料(煤)和產品(油品-汽油，動力油)，如何得到產品呢，引出重要反應器(6-熱解反應器，得到油品和半焦，油品通過5-分餾塔，得到汽油和動力油)。通過知曉原料和產品，了解整個工藝的目的。

分離：通常產物是混合物，需要分離，用到了哪些分離方法？(半焦和熱球，篩分-依據粒徑大小不同，煤氣和油、渣的分離，采用精餾方法)，廢氣和煤的分離，旋風分離器。通過分析反應產物的分離過程，體現化工原理中的各種單元操作(氣、液、固的分離)，實現最終得到產品。

熱量傳遞：反應需要熱量來自哪里？熱球進行加熱煤，煤的預熱(熱煙氣)

流體輸送設備：8-提升機(提升熱球)2-干燥預熱器 (提升煤)

工藝流程描述：煤經過給料器(1)與熱廢氣在干燥預熱器中(2)進行混合加熱，然后通過旋風分離器(3)分離出廢氣和預熱煤，預熱煤隨后和熱球在熱解反應器(6)反應，產物在篩(7)分離出半焦、熱球和熱解揮發產品，熱半焦隨后冷卻得到半焦，熱球通過提升機隨后通過空氣和煤氣在球預熱器(4)中加熱，熱球再循環使用。產生的熱廢氣進一步預熱煤。熱解揮發產品在分餾塔里面進一步分離為殘渣、汽油、動力油和煤氣。

案例1：熱載體干餾工藝-托斯考(Toscoal)工藝流程見圖2。

1 -給料器； 2-干燥預熱器；3-旋風分離器；4-球預熱器；5-分餾塔；6-熱解反應器；7-篩；8-提升機

圖2 Toscoal 工藝流程[11]

Fig.2 Toscoal process flow

2.3 化工專業基礎知識的提升

在完成化工專業基礎知識的應用的基礎上，學生對化工原理、反應工程、化工熱力學、化工儀表與自動化和化工傳遞等專業知識在煤化工工藝學中能夠進行獨立的應用。為了進一步提升其靈活應用能力，通過對比和設計工藝過程來實現，采用案例法進行深入分析。案例2-灰熔聚流化床粉煤氣化工藝(圖3)，原料是煤，產品是煤氣等。通過分析反應器和分離過程來提高其能力。該反應器為流化床，與前面講解的固定床有什么區別？如何在反應器結構中體現換熱和產物的移除？在分離過程中用到廢熱回收器的作用。通過與相似工藝的中的每一個裝置對比，分析和理解其作用，從而深入理解工藝之間的區別，理解設計思想，為后續的工藝設計提供經驗。最后布置一個開放的設計任務，如煤制甲醇或者烯烴的工藝設計，讓學生繪制基本的工藝思路，工藝流程圖以及需要的設備，該部分可以與畢業設計進行耦合起來。

1-煤鎖；2-中間料倉；3-氣體冷卻器；4-氣化爐；5-灰渣；6-一級旋風；7-二級旋風；

8-二級旋風下灰頭；9-廢熱回收器；10-汽包；11-蒸汽過熱器；12-脫氧水預熱器；13-洗氣塔

圖3 灰熔聚流化床粉煤氣化工藝流程簡圖[11]

Fig.3 A brief diagram of the process flow of the ash agglomerating fluidized bed gasification

3 實踐效果與分析

通過以上復合型知識和能力的培養與構建，及其在中北大學的兩年來的實施，在提升學生的工程知識掌握能力、工程設計能力和工程實施能力方面效果顯著。具體體現在：第一，學生畢業設計能力明顯提升，在整體設計和思路上都有大幅度提高，優秀率也進一步提高。第二，學生參與各類大賽的數量增加，獲獎數目逐年上升，尤其是全國化工設計大賽和全國化工實驗大賽獲獎等級和數量不斷創新高。第三，學生承擔國家級和省級等各類大學生創新創業訓練項目持續增加，學生積極參與工藝設計和優化等工程實踐全過程。部分學生還跟隨指導教師赴企業現場，切身參與到項目的工程化實施和運行中，培養了從工程化實際中提取科學問題、獲取知識、運用知識和掌握技能的能力，切實提升了學生的工程實施能力。

4 結束語

學生化工專業知識的重構是一項系統和長期工程，需要緊緊依靠化工專業各門課程的改革和引導來培養和鍛煉以及多個環節密切配合。根據煤化工工藝學課程特色與實際，通過案例教學的方法，設置“化工專業基礎知識的普查”、“化工專業基礎知識的應用”和“化工專業基礎知識的提升”三個層次的教學環節，培養學生“知識認知”、“知識理解”和“知識應用”三個方位的工程能力，從而為完成工程人才知識體系的構建和專業知識的“重構”。