化工原理實(shí)踐環(huán)節(jié)中的創(chuàng)新功能

韶暉 冷一欣

(常州大學(xué)石油化工學(xué)院 江蘇常州 213164)

實(shí)踐性環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、提高學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的重要平臺(tái)[1-3]。由于化工類專業(yè)的學(xué)生將從事工程技術(shù)方面的工作，必須有良好的動(dòng)手能力和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。因此，實(shí)踐性環(huán)節(jié)在化工人才培養(yǎng)中占有重要的地位?；ぴ韺?shí)驗(yàn)與化工生產(chǎn)實(shí)際緊密聯(lián)系，面對(duì)的是實(shí)際工程問(wèn)題，屬于工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)的范疇，且所研究的對(duì)象變量多、關(guān)系復(fù)雜，具有工藝性和工程性[4]。針對(duì)目前高校學(xué)生工程實(shí)踐訓(xùn)練不足的問(wèn)題，在2006年我校搬遷并新建化工原理實(shí)驗(yàn)室時(shí)，在化工原理教師和實(shí)驗(yàn)室人員的共同努力下，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和教學(xué)方式進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，使實(shí)驗(yàn)室除了承擔(dān)課程設(shè)置的實(shí)驗(yàn)外，還能作為校內(nèi)石化中心實(shí)習(xí)基地，為校內(nèi)外學(xué)生提供崗前培訓(xùn)；教師還可以將實(shí)驗(yàn)裝置與科研相結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生的畢業(yè)論文。

1 以工程觀的理念認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)

由于校外實(shí)踐基地日漸萎縮，許多工廠出于安全生產(chǎn)或技術(shù)保密等方面的原因，逐漸縮小實(shí)踐基地的規(guī)模，甚至取消原有的實(shí)踐基地，這給學(xué)生的工程實(shí)踐帶來(lái)了很大的影響[5]?；ぴ韺?shí)驗(yàn)室作為校內(nèi)石化中心實(shí)習(xí)基地，承擔(dān)著校內(nèi)外學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的任務(wù)。學(xué)生在基礎(chǔ)課教學(xué)階段，接觸的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多為玻璃儀器和小型設(shè)備。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念，讓學(xué)生對(duì)工廠有初步的認(rèn)識(shí)， 2006年組建新化工原理實(shí)驗(yàn)室時(shí)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和外形尺寸的設(shè)計(jì)上，盡量使實(shí)驗(yàn)設(shè)備能反映工廠的生產(chǎn)實(shí)際。裝置主體采用不銹鋼精細(xì)拋光加工，框架采用不銹鋼噴塑，法蘭連接，配備了現(xiàn)代化工廠普遍使用的各種先進(jìn)測(cè)量、控制以及組態(tài)系統(tǒng)，如DCS控制系統(tǒng)、MCGS組態(tài)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、PID控制系統(tǒng)等。另外，為了讓學(xué)生對(duì)工廠有更多的感性認(rèn)識(shí)，在設(shè)計(jì)流量、溫度、壓力等的測(cè)量中，采用了多種工業(yè)常用的儀器、儀表和現(xiàn)代測(cè)量及顯示技術(shù)。如對(duì)流量的測(cè)量，在不同的實(shí)驗(yàn)裝置上設(shè)置了孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、濕式氣體流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和數(shù)顯等流量測(cè)試；對(duì)壓強(qiáng)的測(cè)量，使用了U型管壓強(qiáng)計(jì)、傾斜式差壓計(jì)、簧片式壓力表和數(shù)字式顯示儀表等；對(duì)溫度、電流、電壓等的顯示均采用數(shù)字顯示儀表。在閥門的設(shè)置上，我們安裝了工廠里常見(jiàn)的閘閥、截止閥、球閥和蝶閥等；并在離心泵的裝置上安裝了電動(dòng)閥，一路采用閥門手動(dòng)調(diào)節(jié)，一路通過(guò)電動(dòng)閥DCS系統(tǒng)自動(dòng)控制，以與工廠的實(shí)際接軌。

由于實(shí)驗(yàn)裝置是本校教師自行設(shè)計(jì)的，有著較大的自創(chuàng)性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將離心泵、阻力、傳熱3個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)管道、橋架串聯(lián)在一起，以變頻器控制轉(zhuǎn)速；串、并聯(lián)后的離心泵可將高位槽或地槽中的物料經(jīng)DCS 系統(tǒng)控制的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，輸送進(jìn)高阻或低阻管路，再進(jìn)入套管換熱器進(jìn)行換熱。在精餾塔的設(shè)計(jì)上，采用填料、篩板兩種塔型的中試裝置，并配備了先進(jìn)的儀器、儀表、手動(dòng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以體現(xiàn)現(xiàn)代化工廠的氣息。這樣的設(shè)計(jì)能給學(xué)生一個(gè)完整的工藝流程，大大地增強(qiáng)了學(xué)生工程觀的概念。

2 開(kāi)放式的崗前培訓(xùn)

除了承擔(dān)一年級(jí)新生的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)外，近幾年來(lái)，石化工程中心還接納了石化企業(yè)新員工的崗前培訓(xùn)工作?；ぴ韺?shí)驗(yàn)教學(xué)的模式是根據(jù)教學(xué)計(jì)劃固定做幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，如阻力測(cè)定、離心泵性能測(cè)定、傳熱系數(shù)測(cè)定等，且大多數(shù)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，即在做實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生通過(guò)理論課程的學(xué)習(xí)，就已經(jīng)知道結(jié)論，實(shí)驗(yàn)的目的只是驗(yàn)證書(shū)本上的經(jīng)驗(yàn)式。這對(duì)于初學(xué)化工基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，可能是有益的，便于他們對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的了解和鞏固。但對(duì)于工科類院校的畢業(yè)生以及即將走上工作崗位的新員工來(lái)說(shuō)，他們要面對(duì)的是復(fù)雜的工程實(shí)際問(wèn)題，其復(fù)雜性表現(xiàn)在研究對(duì)象多變、預(yù)知條件不完整、變量參數(shù)眾多等方面。因此，讓他們?cè)诨ぴ韺?shí)驗(yàn)過(guò)程中掌握工程實(shí)驗(yàn)的組織方法極為必要[6]。針對(duì)這項(xiàng)培訓(xùn)，我們采用開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。要求培訓(xùn)人員根據(jù)教師給出的任務(wù)，以正確的工程實(shí)驗(yàn)方法制定實(shí)驗(yàn)方案、選擇實(shí)驗(yàn)器材、擬定實(shí)驗(yàn)程序、畫(huà)出合理的設(shè)計(jì)流程圖，最后完成操作，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸納，出具完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的固定教學(xué)模式(學(xué)生預(yù)習(xí)，教師講課，學(xué)生操作，整理數(shù)據(jù)，寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告)，學(xué)生由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，積極性更容易得到有效的調(diào)動(dòng)。但這需要教師和學(xué)生投入更多的時(shí)間和精力。教師要具備豐富的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，而學(xué)生由于教師不再對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、儀器使用等進(jìn)行詳細(xì)講解，因此必須在實(shí)驗(yàn)前做好充分的準(zhǔn)備，熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料。在這一環(huán)節(jié)中，培訓(xùn)人員將會(huì)遇到較多的問(wèn)題，但在處理這些問(wèn)題的過(guò)程中，分析和解決問(wèn)題的能力能得到實(shí)際鍛煉。

在對(duì)新進(jìn)人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)時(shí)，我們采用由簡(jiǎn)入深的方式，在流體流動(dòng)阻力測(cè)定的實(shí)驗(yàn)中，引入怎樣在工程裝置中尋找管路堵塞的問(wèn)題；測(cè)定串聯(lián)管路、并聯(lián)管路、高阻和低阻管路的流量分配、阻力損失和壓差變化等。之后，隨著學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的不斷了解，實(shí)際工程問(wèn)題的難度也逐漸加深，如：實(shí)際精餾操作中常見(jiàn)漏液、液泛等不正?，F(xiàn)象和故障的分析及排除，傳熱過(guò)程的強(qiáng)化措施等。經(jīng)過(guò)這樣的訓(xùn)練，學(xué)生逐步在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中接觸到實(shí)際工程問(wèn)題，建立起工程概念，同時(shí)也培養(yǎng)了解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

當(dāng)然，開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)同時(shí)也需要教學(xué)設(shè)備的不斷革新。在組建實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我們考慮了一部分綜合實(shí)驗(yàn)，例如，在離心泵性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，采用主、輔泵操作。主泵用變頻器調(diào)節(jié)流量，輔泵用出口閥調(diào)節(jié)流量；設(shè)置了一系列管路，讓學(xué)生在不同的情況下，選擇合理的串聯(lián)或并聯(lián)操作，并結(jié)合現(xiàn)有管路，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。在傳熱實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)一臺(tái)換熱器的換熱達(dá)不到指定溫度時(shí)，可選用兩臺(tái)換熱器串聯(lián)或并聯(lián)操作，這時(shí)應(yīng)考慮如何解決由于管路過(guò)長(zhǎng)及保溫效果不好所造成的較大的熱損失。在吸收實(shí)驗(yàn)中，加入解吸裝置，吸收液經(jīng)過(guò)換熱器加熱后，進(jìn)入解吸塔，脫除吸收質(zhì)，使吸收劑循環(huán)使用。因此，解吸塔的分離能力將直接影響到吸收塔的吸收效果。最近，我們又在原有傳統(tǒng)板框過(guò)濾裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，閥門選用常閉氣動(dòng)球閥，既可由DCS控制動(dòng)作，也可手動(dòng)控制；鑒于過(guò)濾體系為碳酸鈣懸浮液，液位計(jì)采用帶遠(yuǎn)傳信號(hào)的磁翻板液位計(jì)和單法蘭液位計(jì)，壓力測(cè)量采用帶標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)傳信號(hào)的壓力變送器；出料采用工業(yè)中典型的壓縮空氣提供動(dòng)力，以攪拌罐頂部插入管路壓料的方式，替代從攪拌罐底部壓料的方式，這樣可以避免堵塞現(xiàn)象；系統(tǒng)還設(shè)置了液位連鎖，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，將進(jìn)料閥和排空閥全部自動(dòng)連鎖關(guān)閉。改造后的過(guò)濾裝置克服了傳統(tǒng)過(guò)濾實(shí)驗(yàn)費(fèi)力的缺點(diǎn)，并體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)的先進(jìn)理念。另外，我們正尋求合適的體系，將萃取和精餾實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，使萃取后的萃取相，能通過(guò)精餾分離出溶劑，以便循環(huán)使用。

3 與科研相結(jié)合的畢業(yè)環(huán)節(jié)

研究型、綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置是當(dāng)今實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的重要課題。如何使所建的實(shí)驗(yàn)室在為教學(xué)服務(wù)的同時(shí)，也為科研開(kāi)發(fā)和學(xué)科建設(shè)創(chuàng)造良好的條件，是值得思考和探索的問(wèn)題[7]。我們?cè)谘兄菩略O(shè)備時(shí)，除了考慮工程性和可操作性外，還注重設(shè)備的先進(jìn)性。以自行設(shè)計(jì)完成的用于氣體凈化(尾氣回收)的四塔變壓吸附裝置為例，單一的固定吸附床操作，無(wú)論是變溫吸附還是變壓吸附，由于吸附劑需要再生，吸附是間歇式的；而四塔變壓吸附裝置則使吸附床的吸附和再生交替進(jìn)行，當(dāng)一個(gè)塔處于吸附過(guò)程時(shí)，其他塔處于再生過(guò)程的不同階段，當(dāng)該塔結(jié)束吸附步驟開(kāi)始再生過(guò)程時(shí)，另一個(gè)塔又接著進(jìn)行吸附過(guò)程，這樣就能保證原料氣不斷輸入，產(chǎn)品氣不斷產(chǎn)出，整個(gè)吸附過(guò)程是連續(xù)的。根據(jù)吸附劑再生方法的不同，變壓吸附循環(huán)可采用常壓解吸和真空解吸變壓吸附過(guò)程。常壓解吸變壓吸附有升壓、吸附、順?lè)拧⒛娣?、沖洗等過(guò)程，而真空解吸變壓吸附則有升壓、吸附、順?lè)?、逆放、抽空等過(guò)程。目前，在教師的指導(dǎo)下，該裝置可用于畢業(yè)生完成科研項(xiàng)目“DCS控制變壓吸附分離N2/O2工藝的研究”。此外，我們還結(jié)合化工、生物工程、制藥等學(xué)科的特點(diǎn)，將超濾技術(shù)用于中藥提取過(guò)程中渾濁提取液的澄清，以脫除其中的固體顆粒、膠質(zhì)、大分子蛋白質(zhì)等雜質(zhì)；運(yùn)用傳質(zhì)單元操作——膜分離裝置，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目“聚氨酯合成革生產(chǎn)中DMF廢液的回收”和江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“二甲基甲酰胺廢液回收的滲透氣化膜性能”的研究。

總之，實(shí)驗(yàn)教學(xué)體現(xiàn)了以教學(xué)帶科研，以科研促教學(xué)的發(fā)展思路，為教學(xué)和科研開(kāi)發(fā)的良性循環(huán)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

經(jīng)過(guò)幾年的建設(shè)和改造，化工原理實(shí)驗(yàn)室已在“設(shè)計(jì)型、綜合型、研究型”實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)等方面取得了一些成績(jī)，拓寬了實(shí)驗(yàn)室原有的功能，為學(xué)生的實(shí)習(xí)和科研提供了場(chǎng)所。今后，它還將成為我?；ぜ寄艽筚惖呐嘤?xùn)基地。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 許建飛,朱向運(yùn).實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2001,20(1):3

[2] 徐國(guó)財(cái),張洪流,何杰,等.化工高等教育,2008,103(5):76

[3] 周愛(ài)東,楊紅曉,趙蕾,等.實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(1):101

[4] 曾明榮,曾慶友,趙鵬.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(10):128

[5] 余龍江,李為,魯明波.高教論壇,2008,10(5):21

[6] 潘正官, 謝佑國(guó).化工高等教育, 2005,86(4):74

[7] 郭慶豐,彭勇,余立新.化工高等教育,2004,79(1):45