理科化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)化工過程模擬課程淺談

【摘要】目前全國高校較多設(shè)置了化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，理科化學(xué)系學(xué)生的理科課程框架較為豐富，但是其工科課程設(shè)置較少，化學(xué)系類學(xué)生的工科素養(yǎng)要遠(yuǎn)低于化學(xué)工程專業(yè)的工科學(xué)生。這極大的限制了理科化學(xué)系類學(xué)生的就業(yè)和進(jìn)一步深造方向。針對此問題，本文將淺談理科化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的化工過程模擬上機(jī)課程，讓學(xué)生在有限的教學(xué)課程中，學(xué)習(xí)化工過程三傳一反的核心理論，獲得化工過程的知識，提高工科素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】化學(xué) 應(yīng)用化學(xué) 化工過程

【課題項(xiàng)目】本文系2018年江蘇科技大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐課題研究成果。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）49-0149-02

目前全國較多的理科化學(xué)系或應(yīng)用化學(xué)系的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課設(shè)置是以理科課程為主，工科類課程為輔。從課程框架上看，理科化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)主要以四大化學(xué)為主，工科類的主干課程只有少學(xué)時的化工原理。國內(nèi)大多理科化學(xué)類的專業(yè)缺少工科類的課程如傳遞過程、化學(xué)工藝和反應(yīng)工程等?；谌缟蠈W(xué)科設(shè)置，化學(xué)系本科生的理科素質(zhì)較高，但對于工科類的知識掌握不夠。因此，如何在有限的教學(xué)課程中，添加工科素質(zhì)培養(yǎng)的環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在有限的學(xué)習(xí)時間內(nèi)獲得更多的化工工程知識，并提高化學(xué)理科本科生的工科素養(yǎng)，是理科化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)老師在教學(xué)環(huán)節(jié)需要面對和解決的問題[1]。

針對此問題，一些高校增加了工科課程的課時，但是教學(xué)的深度難以把握，理科本科生對工科課程如化學(xué)工藝學(xué)、傳遞過程和反應(yīng)工程等的興趣不足，而這些課是化學(xué)工程類專業(yè)的主干課?；み^程分類較多，理科化學(xué)專業(yè)本科生對化工工業(yè)過程了解較少，較復(fù)雜的化工過程以及單元操作不適合理科學(xué)生，因此尋找一些既讓學(xué)生能很快深入又能激發(fā)學(xué)生研究興趣的化工過程是本文討論的一個重點(diǎn)?？梢詫⒐た普n程《化工原理》內(nèi)涉及到的單元操作進(jìn)行延伸，將實(shí)際的化工過程和《化工原理》課程內(nèi)涉及到的單元操作過程進(jìn)行對比研究，從化工過程的三大原理（質(zhì)量傳遞、動量傳遞和熱量傳遞）出發(fā)，從揭示三大原理的角度來選擇經(jīng)典的化工過程作為上機(jī)模擬的案例。

目前化工過程計(jì)算機(jī)模擬軟件較多，包含有限體積分析軟件如Fluent，化工流程模擬軟件如Aspen Plus，離散化化工過程軟件Star CD等[2]。這些軟件專業(yè)性較強(qiáng)，需要大量的數(shù)學(xué)背景知識才能靈活運(yùn)用。但是，理科化學(xué)專業(yè)的本科生無需靈活掌握具體某個軟件的使用，只需在簡單的講解和理解后能使用該化工軟件對熟知的化工過程進(jìn)行模擬。因此，需要對化工軟件進(jìn)行有目的性選擇，以經(jīng)典化工過程為導(dǎo)向，針對選擇的化工過程選擇合適的模擬軟件，以體現(xiàn)該軟件在模擬該化工過程的優(yōu)勢。COMSOL Multiphysics是一款有限元分析處理軟件，以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實(shí)現(xiàn)對三傳一反的模擬計(jì)算。COMSOL的化學(xué)反應(yīng)工程模塊簡化了化學(xué)反應(yīng)器、過濾設(shè)備、混合器及其他化工過程的優(yōu)化步驟。因此可以采用該有限元分析軟件作為教學(xué)和上機(jī)的化工過程模擬軟件。

化工過程大多包括多個傳遞過程，如同時出現(xiàn)質(zhì)量和動量傳遞。針對化工過程的“三傳一反”（質(zhì)量傳遞、動量傳遞、熱量傳遞和反應(yīng)工程），逐一簡化貫穿這些基本原理的化工過程，以突出基本原理的應(yīng)用，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)重點(diǎn)更加鮮明。對于質(zhì)量傳遞，可以選擇膜分離過程模擬，烴鹵化反應(yīng)器過程模擬，吸收塔過程操作模擬，精餾塔過程操作模擬等。對于動量傳遞，可以選擇電極流道流體動力學(xué)模擬，多孔介質(zhì)中流體力學(xué)模擬。對于熱量傳遞，可以選擇反應(yīng)釜傳熱過程模擬，精餾塔傳熱過程模擬。對于反應(yīng)工程，可以選擇烴鹵化反應(yīng)器過程模擬，電解水過程模擬。因此理科化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)系本科生設(shè)計(jì)化工過程模擬的上機(jī)課程可以包括：①烴鹵化反應(yīng)器過程模擬；②反應(yīng)釜傳熱過程模擬；③電極流道流體動力學(xué)模擬；④膜分離過程模擬；⑤吸收塔過程操作模擬；⑥精餾塔過程操作模擬；⑦多孔介質(zhì)中流體力學(xué)模擬。這些過程的上機(jī)模擬操作和化工原理課程中的單元操作一一對應(yīng)，是化工原理課程的延伸。學(xué)生可以自由改變各個操作參數(shù)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)動態(tài)實(shí)時的模擬操作。另外需要對化工過程模擬上機(jī)的內(nèi)容安排和框架體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在講授一部分淺顯的數(shù)值分析的基礎(chǔ)上講授過程模擬專業(yè)知識，然后再將上述淺顯易懂的化工過程模擬知識傳授給學(xué)生，讓學(xué)生在較短的時間內(nèi)對化工過程和過程模擬有較深入的理解。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸君等，案例互動教學(xué)在化工原理課程中的應(yīng)用，科學(xué)時代，2012（4）：100-101

[2]肖國民等，通用化工模擬軟件在《化工傳遞過程原理》教學(xué)中的應(yīng)用，化工時刊，2012（10）：53-59