化工原理教学中加强工程意识的培养

Байду номын сангаас能力。
［ 关键词 ］ 化工原理 教 学 工程意识 工程研究方法
前言
化工原理是化学工程与工艺及相近专业开设的一门核心 的专业基 础课 程，其教学水平 和教学质量 已成为衡量化工类院校教学水平 的关 键因素之一 。一个完整的化工原理教学应 由理论 教学 、 实验教学 、 课程
没计 三个 模 块 组 成 ，通 过 这 三 个 模 块 的 教 学 环 节 来 完 成 相应 的 能力 培 车。 化 工 原 理是 以 实 验 研 究 、 学 模 型 为 研 究 方 法 ， 合运 用 数 学 、 数 综 物 理、 化学 、 计算技术等 自然科学 的原理 来分析 、 解决化工生产 中各种物
科技信息
专题 论 述
化工原理教学 巾力 强工程意 ｉ Ｂ ｌ 荠 口 Ｒ ａｇ
南通 大 学化 学化 工 学院 姜 国 民 范 崇光 江 国庆
［ 摘 要 ］ 工原理是化 学工程与工艺、 化 应用化学等相 关专业开设 的一 门核心 的工程技 术基 础课 程 ， 它是利 用 自然科 学的基 本原理 研 究化 学工程 中的客观规律。在教 学中加强工程意识和工程研 究方法的培 养， 理论联 系实际， 高学 生分析 、 提 解决工程 实际问题 的
理过程或单元操作问题 的工程科学 。化工原理担负着 化工类 专业 课程 体系由理及工 、 由基础到专业过渡的特殊使命 ， 承载着工程科学教育 与 工程技术教育的双重任务 。该课程涉及理论知识 面广 、 工程 实践性强 ， 强调对学生进行工程观点 、 定量运算 、 实验技术 、 工程设计等能力 的培 养 ，强调理论与实际相结合 以提高学生综合运用 自然科 学的相关理论 进 行分 析 问题 和解 决 问题 的能 力 ： １理 论 教 学 中注 重 工 程 意 识 的培 养 ． 化工 原 理 教 学 必 须 对 教 学 内容 和 教 学 方 法 进 行 合 理 有 效 的 设 计 ， 突 出 培养 学 生 单 元操 作 和 设 备 选 型 的能 力 、操 作 和调 节 生产 过 程 的能 力 以及 技 术 经 济 意识 。 １ 抓住课程主线 ， ． １ 把握知识 内在联系 ， 提炼工程意识 在教学 内容设 计上 ， 选择化工生产过程中应用最 广泛 的流体流动 、 流体输送 机械 、 搅拌 、 流体通过颗粒层 的流动 、 降与流态化 、 沉 传热 、 气 体吸收 、 液体精馏 、 塔设 备和干燥 等作 为基本教学内容 ， 同时根据不 同 专业 的特点 ， 有针对性地选择讲授蒸发 、 液液萃 取 、 临界萃取 、 晶、 超ｌ 结 吸 附 和膜 分 离 的 部分 内容 ， 满 足不 同专 业 的 要 求 ＝ 以 化 工 原 理 单 元操 作 从 表 面 上 看 似 乎 各 自独 立 ，但 各 章节 之 间存 在 着密切 的内在联系。首先 ， 传递过程是各单 元操作统一 的研究对象 ， 是 联 系各章节的一条主线 。 各单元操作分别用牛顿粘性定律 、 傅立叶定律 和菲克定律来研究动量传递 、 热量传递和质量传递 ， 三个定律在表达 这 形式 上 有 着 共 同 的特 点 。动 量 、 量 和 质量 扩 散 系数 具 有 相 同 的量 纲 ， 热 各量 的传递方向与其对应的梯度方 向相反。在教学 中， 把各单 元操作 的 内在联系弄清楚 ， 对相似 的公式进行 比较 、 讨论 ， 有利于学生深刻理解 化工过程的基本概念和基本理论 。 其次 ， 化工过程研究的方法论是贯穿 整个 课 程 的 另 一 条 主线 。 理 工程 问题 的 常用 方法 有 数 学 分 析法 ， 验 处 实 研究法和数学模型法等 。 （ ） 学 分 析法 １数 化工生产中某些实际问题在特定条件下 ，可以直接应用相关的基 础 理 论 进 行 分 析描 述 ， 种 方 法 是 基础 理 论 课 中常 用 的方 法 ， 以培 养 这 可 学生 由科学到技术 、 由理科到工科的逻辑思维能 力， 使学生深刻认识到 科学理论在工程实际 中的应用。 例如 ， 利用数学原理和物理定律推导流 体静力学基本方程 、 柏努力方程 、 圆管巾流体定态层流流动时 的剪应力 分布式 、 圆管中流体定态层流流动时的速度分布式 、 沿程阻力损失计算 公式 、 一维定常态温度场中热传导速率计算公式 、 一维定常态浓度场 中 分 子 扩 散 传 质 速率 计 算 公 式 等都 应 用 了 数 学 分析 的方 法 。 （ ） 验研 究 法 ２实 实验研究方法又称经验研究方法 。首先 ， 凭借经验 ， 在复杂的工程 问题 中找出其 所有的主要影响因素 ， 将其视为 “ 黑箱” 无须对过程本身 ， 的内在规律有深入的理解 ；然后将 待研究 的 目标 函数用幂函数的形式 表 示 ， 用 因次 分 析 理 论 和 Ⅱ 定 理 ， 析 演 绎 ， 到 无 因次 数 群 之 间 的 利 分 得 函数关 系； 后 ， 最 通过实验来确定各准数之间 的关 系， 而达到求出 目 从 标 函数的 目的。 例如 ， 管内流体湍流流动时的阻力损失和管内流体湍流 流动时对流传热系数的研 究就是 采用实验研究方法 。该方法的优点是 在 因次分析理论的指导下 ， 可以大大减少实验工作量 ， 并且实验时不需 要遍及各种尺寸的设备和各种不 同性质的物料 。 （ ） 学模 型 法 ３数 数学模 型法又称为半 经验半理论方法。 第一 ， 对所研究过程有深刻 的理解 ， 并且明确其主要影响因素； 第二 ， 在不失真 的前提下 ， 将复杂的
．．．— —
真实过程用简单 的虚 拟物 理模型来描述 ， 同时建立数学模 型； 第三 ， 通 过实验对数学模型的合理性 进行检验并测定模 型参数 。该方法的关键 是对复杂过程如何合理地“ 简化” 而不“ 失真”在某一层面保持等效。这 ， 就要求深刻把握复杂过程的内在规律 ， 找出影 响 目标 函数的主要变量。 例如 ， 流体通过颗粒层的流动过 程 ， 研究 的 目的是获得流体通过床层的 压降。根据这一特定的研究 目的， 在进行过程简化时 ， 只需使物理模型 与实际过程在阻力损失这一层面保持 等效 。由于流体流过颗粒床层中 的 细 小 通 道 是 曲折 而 又相 互 交错 、 小 和 形 状 也 很 不 规 则 ， 次 ， 难 大 因 很 直接Ｊ数学分析的方法求出其床层压降。但是 ， 【 Ｈ 流体通过颗粒层 的流动 状态为爬 流， 在爬流状态下 ， 阻力损失主要决定 于固体表面积。于是 ， 以 单位流动空 间的表面积相 等作为 准则来保证 阻力损失 即压降 的等效 性。简化 的毛细管束模 型要点 ： 床层 中复杂的不规则通道可以虚拟成一 组平行的细管 ， 其管径为 ｄ， 长为 Ｌ ； ｅ 管 ｅ细管 的内表 面积等于床层颗粒 的 全部 表 面积 ； 管 的 全部 流动 空 间 等 于 颗 粒床 层 的空 隙 容积 。 据 圆 细 根 管中流体定态层流流动时的沿程阻力损失计算公式 ，引入 固定床流动 摩 擦 系 数 为 模 型参 数 ， 立 数 学 模 型 ， 过 实 验 ， 采 尼 发 现 在 流 速 建 通 康 较低 ， 床层雷诺准数 Ｒ ２的情况下 ， 化的毛细管束模型合理 有效 ， ｅ＜ 简 并且关联 了模型参数 与床层雷诺准数 Ｒ ｅ之间的关系 。 １ ． ２改进教学手段， 强化工程意识 由于化工原理课程的教学内容涉及大量 的工程实际 问题 ，学生又 没有相应 的实践经验 ， 因此 ， 采用多媒体教学 ， 充分利用实物 、 化工厂实 况录像 、 动画仿真 、 文字表 达和 口头表述 ， 形象 、 真 、 逼 生动地呈现化工 单元操作 的动态过程 、 备结构 以及生产过程 的调节 ， 设 使抽象的问题具 体化、 实际化 。 例如 ， 在讲授离心泵的气缚 和气蚀现象时 ， 先让学生看动 画演示 ， 然后让学生 自己总结 出现气缚 和气蚀现象的原 因， 怎样采取措 施防止气缚和气蚀现象的发生 这种直观教学 ， 学生容易看懂 、 听懂和 理解 ， 增强 了学生 的感知 能力 ， 同时也激发 了学生 的想象 力 、 学习的动 力和兴趣 。 又如 ， 在塔设 备教学中 ， 学生通过看板式塔和填料塔 的录像 ， 直 观地 了解 化 工 厂 实 际 巾塔 设 备 的外 形 和 内部 构 造 ，气 液 两 相 动 态 接 触传质 的过程和流体力学特性 ， 塔板上严重 的漏液现象 、 液沫夹带和液 泛现象给学生 留下了深刻 的印象。在教学 中应用多媒体课件 ， 使学生在 课 堂上可 以获取大量 工程信 息 ， 对化 工单元操作过程的原理及设备有 了 更深 刻 的理 解 和认 识 ， 强化 了工 程 意 识 ， 效 地 提 高 了 课 堂 教 学 的 质 有