“雙碳”背景下化工過程與設備教學效果提升的思考與實踐

摘 "要：該文分析“雙碳”背景下，在針對化工專業本科生的化工過程與設備課程教學中引入新能源化工過程及微反應器等化工設備的必要性和作用，并提出結合典型的工藝流程，更加系統地介紹儲罐、反應器、換熱器和塔設備等功能及選型設計思路，加深學生對相關內容的理解。同時結合CFD技術和互聯網在線課程資源與現代教學方法，以及專業英語術語的介紹，來提高課程的實用性和學生的學習興趣，培養學生的主動性。結合教學實踐，對以上措施進行教學效果的提升和驗證。

關鍵詞：化工過程與設備；雙碳；CFD；新能源；教學實踐

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）08-0118-04

Abstract： This paper analyzes the necessity and role of introducing new energy chemical process and microreactor into the course of Chemical Process and Equipment for undergraduates majoring in chemical engineering under the background of carbon peaking and carbon neutrality， and proposes to introduce the functions and selection design ideas of storage tank， reactor， heat exchanger， tower equipment， etc.， more systematically in combination with typical process flow， so as to deepen students' understanding of related content. At the same time， CFD technology， Internet online course resources， modern teaching methods and the introduction of professional English terms are combined to improve the practicality of the course and students' learning interest， cultivate students' initiative， and improve and verify the teaching effect in teaching practice.

Keywords： Chemical Process and Equipment; carbon peaking and carbon neutrality; CFD; new energy resources; teaching practice

化工過程與設備是針對化學工程專業大四年級開設的一門專業選修課，主要介紹壓力容器的強度理論、GB150規范化設計，儲存設備、換熱設備、塔設備、化工反應器的分類、結構型式、結構特點、設計基本理論、性能關鍵影響因素以及近代新技術進展等內容。該課程是過程裝備與控制工程專業過程設備設計[1]課程的縮減版。課程的目的是使學生掌握從材料、設計、制造和檢驗等方面對壓力容器進行綜合分析的方法，掌握典型過程設備的結構特點，并具備壓力容器和典型過程設備的初步設計能力。

該課程先修課程包括大學化學、材料力學、理論力學、傳熱學、流體力學和單元操作等課程。該課程不僅為學生提供過程設備設計所必要的基礎理論知識，也為學生以后從事化工工藝流程設計、化工設備與系統的設計及優化、涉及化工過程的交叉學科研究等方面的工作打下必要的基礎。

但是，過程設備種類繁多、結構復雜，課程概念、圖表、公式繁多，各章節相對獨立，重點分散，具有學科交叉性較強、傳統設計與制造特色明顯等特點。學生在學習化工過程與設備的過程中普遍感覺物理規律抽象且深奧，缺乏直觀認識；典型過程設備結構細節復雜，設計原理設計方法較難，設計步驟設計公式繁瑣、公式演算復雜以及內容繁多不好理解；理論和實際應用脫節等問題。加之大四上學期大多數學生受考研等因素的影響，上課積極性不高。而課程總學時只有32學時，教學難度無疑更大，從而導致授課效果欠佳。

因而，如何充分結合“雙碳”背景，與時俱進，化難為簡，并增加課程趣味性、先進性，提高學生學習積極性和接受程度，確保教學效果，成為本門課程教學的重點和難點。已有不少過程設備設計教師提出了自己的看法和措施[2-12]， 通過合理設計教學環節、組織教學內容來提升教學效果。考慮到化工過程與設備的受眾、學時等與過程設備設計有較大的不同，筆者針對化工過程與設備授課實踐過程中存在的問題提出以下幾點思考。通過緊密結合“雙碳”背景和學科發展趨勢，在教學中引入新能源如氫能、太陽能化工過程及生物化工、微反應器等領域化工設備的介紹；結合CFD技術和互聯網在線課程資源及現代教學方法，使內容更加形象化、講解更加生動化，并鼓勵學生進行實際操作；同時結合典型工藝流程系統對本課程涉及到的關鍵設備功能及選型進行系統的介紹。最后加強對專業英語術語的介紹，從而提高課程的實用性和學生的學習興趣，培養學生的主動性，并在實踐中進行教學效果驗證和提升。

一 "教學內容與“雙碳”背景和學科發展緊密結合

能源短缺嚴重、環境污染是現如今人類社會面臨的共性問題。隨著國家全面推進“碳達峰、碳中和”的發展趨勢，綠色低碳化工得到廣泛關注。為了更加契合“雙碳”背景和學科發展趨勢，并最大限度地減少課程內容之間的交叉，對傳統化工過程設備如換熱器、塔器等在化工原理、反應器設計、傳熱學等先修課程中已經介紹過的內容進行適當刪減，增加新能源化工設備相關內容，如氫能、太陽能化工、生物化工過程設備及微反應器設計等內容。

其中，利用太陽能光伏光熱并結合儲能系統進行化工生產是實現低碳、清潔、可持續發展的最為有效的措施之一。熱化學儲能、太陽能光熱催化等也越來越多地成為研究熱點。如利用熔鹽塔式光熱/光化學系統實現綠色化工生產，可通過定日鏡場將太陽光聚焦到塔頂部的吸入器上，吸熱器中用熔鹽循環帶出熱量，熱量再產生蒸汽，為后續化工生產提供熱源（圖1），實現節能減排或清潔、綠色化工。該系統中涉及到化工過程與設備課程的所有章節，包括壓力容器、存儲設備、換熱設備、塔設備和反應器等。因此作為專業選修課，對大四的學生介紹學科發展趨勢，并在換熱器以及反應器設計章節將太陽能光/熱化學系統中集熱器、熱化學儲能、光/熱反應器與傳統換熱器，以及反應器設計有機結合并互為補充，可有效地拓寬學生視野，激發科研興趣。

圖1 "太陽能供熱的化工反應流程示意圖

氫能作為清潔能源的重要組成，其作為能源載體有清潔環保、能量密度高、來源廣、用途多和可支撐可再生能源規模化發展的天然優勢。因而未來氫能過程與裝備在未來能源、化工領域亦具有舉足輕重的作用。同時氫能產業鏈較長，包括制氫、儲氫、加氫和用氫等多個環節，涉及到的行業和企業也眾多，特別是電解水制氫、固態儲氫、液態儲氫、氫氣液化、高壓輸氫、加氫站和氫燃料電池等，是目前研究的熱點，也是未來化工專業學生深造和就業的主戰場之一。因此，對介紹壓力容器、儲存設備等章節時有必要對氫能存儲設備如高壓氣瓶、氫氣儲罐及液態儲氫容器的分類、結構、性能和國內外發展趨勢等進行介紹，并對氫能產業鏈中涉及到的其他過程裝備如氫燃料電池、輸氫管道、加氫站關鍵裝備等進行拓展，擴大學生知識面，提高學生未來在氫能領域就業的適配性。

此外，隨著大化工、微反應器、生物化工的發展，換熱裝備也朝著極端工況發展。而傳統的管殼式換熱器，包括結構、特征、關鍵部件工作原理、選型等內容，與化工原理課程部分章節高度重合。因此，在換熱設備章節，可適當減少管殼式換熱器部分內容的介紹，增加先進強化傳熱理念和內容，如適用于高溫高壓的換熱裝備印刷電路板換熱器，或適用于生物化工的微流控微納尺度熱交換器等，介紹高溫高壓換熱設備材料選型、微納流體流動換熱特征等，既可強化學生應用能力的塑造，也可培養學生的創新能力。

通過這些內容的引入，豐富了課程內容和體系，拓展了學生的視野，為學生將來在學科內的研究和發展加以引導，刺激其求知欲，激發學生從事相關學科研究工作的興趣。

二 "在教學中引入數值仿真技術和互聯網在線課程資源及現代教學方法

如前所述，課程部分內容如壓力容器及支座進行應力分析中應力分布規律抽象，缺乏直觀認識。而隨著商業軟件的普及，數值模擬已經進入了一個快速應用的階段。采用有限元數值仿真可直觀地展現各危險截面的應力狀態，并對復雜結構進行詳盡的應力分析，如圖2所示（壓力容器封頭處應力分布），是目前化工過程與設備設計制造中不可或缺的設計工具。因此在教學中引入數值仿真技術可圖像化地展示課程中講述的力學規律，對增強學生的直觀認識，加強對壓力容器設計中基本概念、規律的理解和掌握，加深學生印象有很大幫助。

再如介紹換熱器結構設計時，采用數值仿真手段可形象地展示溫度場/流場分布，進而加深學生對管箱、折流板、強化管等結構的認識，如圖3所示（管殼式換熱器流動死區及折流板作用）。通過在課堂上講述一部分數值仿真技術的入門知識，鼓勵學生獨立地動手來模擬、探索現象，增加學生參與性實踐操作內容，并增加學生對數值仿真技術的認識，可有效地培養學生的研究性思維和解決實際問題的能力，并提高相應的計算（包括理論分析和數值計算）能力，為今后研究生學習及工作打下基礎。

圖2 "壓力容器封頭處應力分布

此外，對于壓力容器、換熱裝備、塔器等工作過程的介紹，盡可能地引入、借鑒互聯網課程相關動畫和流程設計演示[6，13-16]，進一步加強學生的直觀認識。

但是，為了達到良好的教學效果，必須合理設計以上教學內容，選擇恰當知識點和案例，使數值仿真和現有內容如應力分析、結構設計有機結合，使得學生易于理解和接受，并激發學生的學習興趣，否則相關內容的引入不僅不能幫助學生們學習有關內容，反而會額外增加新的疑問和負擔。

三 "結合典型工藝流程系統介紹設備功能及選型

在以往教學過程中，各章節內容相對獨立，關聯性較小，不利于學生對設備間協同作用的認識和理解。實踐中選取一個典型的完整工藝流程，如煤制氫過程對本課程涉及到的關鍵設備進行系統介紹。

煤制氫工藝過程一般包括煤氣化、煤氣凈化、一氧化碳變換及氫氣提純等主要生產環節，將煤炭與氧氣發生燃燒反應，進而與水發生反應，得到以氫氣（H2）和一氧化碳（CO）為主要成分的氣態產品，然后經過脫硫凈化，一氧化碳繼續與水蒸氣發生變換反應生成更多的氫氣，最后經分離、提純等過程得到一定純度的產品氫。以流化床煤氣化為例（圖4）[17]，料倉中的原料經給煤機加入氣化爐進行反應。氣化爐內供空氣燃燒和供蒸汽氣化兩個階段交替進行。供空氣燃燒階段，打開空氣換向閥和煙氣換向閥，啟動風機，空氣經空氣預熱器進入氣化爐，料層在流化狀態下燃燒，產生的高溫煙氣依次進入旋風分離器、余熱鍋爐、煙氣換向閥后進入空氣預熱器和空氣進行熱交換，再經除塵器后從煙囪排出。床層溫度上升到1 000 ℃后停止供空氣。關閉空氣換向閥和煙氣換向閥，打開蒸汽換向閥和煤氣換向閥，氣化爐進入水煤氣反應階段。余熱鍋爐產生的蒸汽經緩沖氣包及蒸汽換向閥進入氣化爐內，料層發生氣化反應，產生的粗水煤氣依次經過旋風分離器、余熱鍋爐、煤氣換向閥后進入洗氣塔、氣柜。床層溫度下降到900 ℃后停止供水蒸氣，氣化階段結束。再次調節閥門，使氣化爐進入空氣流化燃燒階段。

以上工藝流程涉及了化工過程與設備課程所介紹的全部關鍵設備，包括儲罐、反應器、換熱器和塔設備等，針對不同的工藝流程與工質特點，結合工藝流程和系統進行介紹，有助于學生從系統層面認識和理解課程內容，增強對工藝參數和設計參數的掌握程度。

四 "加強對專業英語術語的介紹

要全面了解化工過程設備在國內外的最新研究進展，深入開展科學研究工作，必須查閱外文文獻，熟悉專業領域的英文術語。另一方面，各類仿真軟件及流程設計軟件多以英文界面為主，而本科階段至研究生階段針對化工過程設備的專業英語教學則是較為薄弱的。借助化工過程設備的教學，在課程中針對涉及到的重要概念和術語，如壓力容器（Pressure vessel）、球型儲罐（Spherical storage tank）、熱交換器（Heat exchanger）、切向應力（Shear stress）、軸向應力（Axial stress）和填料塔（Packed tower）等，盡量給出相應的英文范例，在不增加學生學習負擔的同時，使學生盡早熟悉和掌握學科的專業英語術語，有助于學生未來學習和科研工作的開展。

五 "充分利用互聯網資源和社會資源

針對本科生工程經驗欠缺，對化工過程設備普遍缺乏直觀認識的問題，結合互聯網資源，盡可能地搜集相關照片及視頻加強學生對整體結構和局部細節的直觀認識。同時購買多種類型的實物教具（如鮑爾環、θ環、拉西環、矩鞍形填料和弧鞍形等散裝填料、板式塔浮閥和篩板等塔盤模型），結合實物進行教學和展示，強化教學效果。同時，可聯系大學生就業實習基地，在課程中安排一到兩次實地參觀實習，對課程內容進行有效補充，同時也提高學生對壓力容器、儲罐、換熱裝備或反應器等關鍵化工過程設備的認識，強化其工程化思維。

六 "結束語

從課堂展示，到課內與課外的互動，在教學實踐中緊密結合“雙碳”背景和學科發展趨勢，采取了多種方式來激發學生的興趣，鼓勵學生積極動手、實際操作、應用數值模擬技術參與科研創新活動。在教學中引入新能源及微反應器等領域化工設備的介紹，結合典型工藝流程系統介紹設備功能及選型，并結合CFD技術和互聯網在線課程資源、加強對專業英語術語的介紹，從而提高課程的實用性和學生的學習興趣，打破學生對于本門課程陳舊、繁瑣的印象，培養學生的主動性，增強對基本概念、規律的理解和掌握，并培養學生發現問題、分析問題和解決問題的研究性思維、系統性思維和科研能力。為將來從事相關領域研究工作、攻讀研究生或出國深造奠定基礎。

在今后的教學工作中，還要不斷積極探索有效的教學方式和方法，提高教學質量。

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