“案例法”在煤化工工藝學(xué)中的運(yùn)用與創(chuàng)新

李偉偉，高 璟，申紅艷，焦緯洲，祁貴生

( 1.中北大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 化工綜合國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，山西 太原 030051)

2017年4月8日，由教育部組織，在天津大學(xué)召開“新工科建設(shè)研討會”上提出“新時(shí)代需要培養(yǎng)造就一大批多樣化和新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)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(gòu)建和專業(yè)知識的“重構(gòu)”是國內(nèi)高等教育改革的基礎(chǔ)。煤化工工藝學(xué)作為化學(xué)工程與工藝專業(yè)由知識到能力轉(zhuǎn)化的一門重要的專業(yè)課，其改革勢在必行。

多年來，高校對煤化工工藝學(xué)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(yīng)工程、化工熱力學(xué)以及化工傳遞等在煤化工工藝學(xué)的應(yīng)用往往講授不夠，使得學(xué)生的知識往往比較零散，缺乏系統(tǒng)性，不利于學(xué)生知識體系的構(gòu)建。

在“新工科”的背景下，國家對工程復(fù)合型科技人才提出了嶄新和較高的要求，企業(yè)往往對具有工程實(shí)踐能力和工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的人才尤佳青睞。工科大學(xué)生在面臨良好的發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)也面臨著巨大挑戰(zhàn)，如何對學(xué)生復(fù)合型知識和能力的培養(yǎng)及提升是擺在高校面前一個(gè)重要的問題。

為了適應(yīng)新時(shí)代和新工科的要求，本文著力從煤化工工藝學(xué)課程角度出發(fā)，通過耦合化工原理、反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)以及化工傳遞等課程知識，構(gòu)建化工學(xué)生復(fù)合型知識和能力，以提升其專業(yè)水平，為國家和社會培養(yǎng)所需的工程復(fù)合科技型人才。

1 復(fù)合型知識和能力的課程的構(gòu)建

根據(jù)煤化工工藝學(xué)課程特色與實(shí)際，通過案例教學(xué)的方法，設(shè)置“化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的普查”、“化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的應(yīng)用”和“化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的提升”三個(gè)層次的教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生“知識認(rèn)知”、“知識理解”和“知識應(yīng)用”三個(gè)方位的工程能力，構(gòu)建“知識重構(gòu)的復(fù)合型人才”。如圖1所示，以一個(gè)煤化工典型的工藝流程為代表，講解原料需要預(yù)熱和加壓到反應(yīng)條件，其中涉及到化工原理中的換熱器、泵和風(fēng)機(jī)等以及化工傳遞過程中的傳熱和傳動(dòng)。隨后根據(jù)反應(yīng)的吸放熱以及反應(yīng)的體積變化情況，從熱力學(xué)角度分析對反應(yīng)有利的條件。結(jié)合反應(yīng)工程中加快反應(yīng)速率的方法，如溫度、壓力、濃度和催化劑等。綜合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，選擇合適的反應(yīng)條件。反應(yīng)得到的產(chǎn)物往往是混合物，需要分離提純得到產(chǎn)品。其中分離方法(吸收、萃取、精餾、結(jié)晶和篩分等)的選擇尤為重要，從而與分離工程進(jìn)行有機(jī)銜接。反應(yīng)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(yīng)和分離朝著有利的方向進(jìn)行，需要通過化工儀表的檢測來實(shí)現(xiàn)，這與化工儀表與自動(dòng)化的課程進(jìn)行銜接。

圖1 煤化工工藝學(xué)知識重構(gòu)培養(yǎng)體系構(gòu)建圖Fig.1 Construction diagram of training system for reconstructing knowledge of coal chemical technology

2 復(fù)合型知識和能力的培養(yǎng)體系的改革與實(shí)踐

“復(fù)合型知識和能力的培養(yǎng)體系”從以下三個(gè)層次進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革與實(shí)施。

2.1 化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的普查

首先對化工原理、反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)、化工儀表與自動(dòng)化和化工傳遞等專業(yè)課程內(nèi)容進(jìn)行普查，了解學(xué)生學(xué)過的“三傳一反”，基本單元操作，反應(yīng)速率，反應(yīng)平衡，化工過程的物料、熱量和動(dòng)量的傳遞等知識點(diǎn)掌握程度。通過以上調(diào)研過程，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成總結(jié)，指導(dǎo)教學(xué)過程。針對熟練掌握和應(yīng)用的知識點(diǎn)，圍繞教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容，言簡意賅的講授，將節(jié)省下來的時(shí)間用來更加細(xì)致地講解重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對新增知識點(diǎn)，在講授時(shí)，以學(xué)生已有的基礎(chǔ)作為切入點(diǎn)，通過結(jié)合具體的工藝流程，設(shè)置引導(dǎo)性和討論性問題的方式組織課堂教學(xué)，幫助學(xué)生順利實(shí)現(xiàn)所學(xué)的化工基本原理等知識的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的探究欲望和創(chuàng)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(jìn)行分離，讓學(xué)生思考化工原理以及分離工程中所學(xué)的固固分離方法。固體熱載體與煤之間如何進(jìn)行換熱的，聯(lián)系化工原理中的傳熱過程。費(fèi)托合成過程中的反應(yīng)是放熱還是吸熱，反應(yīng)的體積是增大還是減小，如何在實(shí)際過程中兼顧動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)等。

針對上述問題，學(xué)生對固固分離方法中的篩分比較陌生，針對此進(jìn)行詳細(xì)講解，通過聯(lián)系生活中回收豆子的過程，來加深認(rèn)識；學(xué)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(nèi)容就簡化講解。

在此基礎(chǔ)上，了解學(xué)生所學(xué)專業(yè)的課程內(nèi)容安排，理清各個(gè)課程內(nèi)容在工藝流程里面是如何體現(xiàn)的，進(jìn)而針對性的安排《煤化工工藝學(xué)》課程內(nèi)容，其與化工基本原理等課程內(nèi)容順利銜接。

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

2.2 化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的應(yīng)用

表1 案例問卷

在完成化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的普查和講解的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置問卷，給一個(gè)具體的工藝流程圖，讓學(xué)生自主回答問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考。如針對案例1-熱載體干餾工藝-托斯考(Toscoal)工藝設(shè)計(jì)問卷(表1)，首先讓學(xué)生明白化工過程的原料與產(chǎn)品，知道是一個(gè)生產(chǎn)什么的工藝，然后確定主要的反應(yīng)器，僅僅圍繞圖2中所示的關(guān)鍵設(shè)備展開，反應(yīng)有什么特點(diǎn)？在考慮熱力學(xué)限制的基礎(chǔ)上，如何加快反應(yīng)速率(溫度，壓力，催化劑，反應(yīng)物濃度的控制)，之后根據(jù)反應(yīng)的要求，原料進(jìn)行提純、升溫和升壓。如何選擇換熱設(shè)備(直接式換熱器和間接式換熱器)，氣體加壓(風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)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(yīng)用，反應(yīng)產(chǎn)物需要什么分離方法？需要考慮混合物的特點(diǎn)，與分離工程順利銜接。最后對整個(gè)工藝流程圖進(jìn)行描述。

具體教學(xué)過程如下，首先通過學(xué)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(jié)。

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

分離：通常產(chǎn)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(jù)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(fēng)分離器。通過分析反應(yīng)產(chǎn)物的分離過程，體現(xiàn)化工原理中的各種單元操作(氣、液、固的分離)，實(shí)現(xiàn)最終得到產(chǎn)品。

熱量傳遞：反應(yīng)需要熱量來自哪里？熱球進(jìn)行加熱煤，煤的預(yù)熱(熱煙氣)

流體輸送設(shè)備：8-提升機(jī)(提升熱球)2-干燥預(yù)熱器 (提升煤)

工藝流程描述：煤經(jīng)過給料器(1)與熱廢氣在干燥預(yù)熱器中(2)進(jìn)行混合加熱，然后通過旋風(fēng)分離器(3)分離出廢氣和預(yù)熱煤，預(yù)熱煤隨后和熱球在熱解反應(yīng)器(6)反應(yīng)，產(chǎn)物在篩(7)分離出半焦、熱球和熱解揮發(fā)產(chǎn)品，熱半焦隨后冷卻得到半焦，熱球通過提升機(jī)隨后通過空氣和煤氣在球預(yù)熱器(4)中加熱，熱球再循環(huán)使用。產(chǎn)生的熱廢氣進(jìn)一步預(yù)熱煤。熱解揮發(fā)產(chǎn)品在分餾塔里面進(jìn)一步分離為殘?jiān)?、汽油、?dòng)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(yù)熱器；3-旋風(fēng)分離器；4-球預(yù)熱器；5-分餾塔；6-熱解反應(yīng)器；7-篩；8-提升機(jī)

圖2 Toscoal 工藝流程[11]

Fig.2 Toscoal process flow

2.3 化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的提升

在完成化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的應(yīng)用的基礎(chǔ)上，學(xué)生對化工原理、反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)、化工儀表與自動(dòng)化和化工傳遞等專業(yè)知識在煤化工工藝學(xué)中能夠進(jìn)行獨(dú)立的應(yīng)用。為了進(jìn)一步提升其靈活應(yīng)用能力，通過對比和設(shè)計(jì)工藝過程來實(shí)現(xiàn)，采用案例法進(jìn)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(chǎn)品是煤氣等。通過分析反應(yīng)器和分離過程來提高其能力。該反應(yīng)器為流化床，與前面講解的固定床有什么區(qū)別？如何在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)換熱和產(chǎn)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(gè)裝置對比，分析和理解其作用，從而深入理解工藝之間的區(qū)別，理解設(shè)計(jì)思想，為后續(xù)的工藝設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。最后布置一個(gè)開放的設(shè)計(jì)任務(wù)，如煤制甲醇或者烯烴的工藝設(shè)計(jì)，讓學(xué)生繪制基本的工藝思路，工藝流程圖以及需要的設(shè)備，該部分可以與畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)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(fēng)；7-二級旋風(fēng)；

8-二級旋風(fēng)下灰頭；9-廢熱回收器；10-汽包；11-蒸汽過熱器；12-脫氧水預(yù)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(shí)踐效果與分析

通過以上復(fù)合型知識和能力的培養(yǎng)與構(gòu)建，及其在中北大學(xué)的兩年來的實(shí)施，在提升學(xué)生的工程知識掌握能力、工程設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)施能力方面效果顯著。具體體現(xiàn)在：第一，學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)能力明顯提升，在整體設(shè)計(jì)和思路上都有大幅度提高，優(yōu)秀率也進(jìn)一步提高。第二，學(xué)生參與各類大賽的數(shù)量增加，獲獎(jiǎng)數(shù)目逐年上升，尤其是全國化工設(shè)計(jì)大賽和全國化工實(shí)驗(yàn)大賽獲獎(jiǎng)等級和數(shù)量不斷創(chuàng)新高。第三，學(xué)生承擔(dān)國家級和省級等各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目持續(xù)增加，學(xué)生積極參與工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化等工程實(shí)踐全過程。部分學(xué)生還跟隨指導(dǎo)教師赴企業(yè)現(xiàn)場，切身參與到項(xiàng)目的工程化實(shí)施和運(yùn)行中，培養(yǎng)了從工程化實(shí)際中提取科學(xué)問題、獲取知識、運(yùn)用知識和掌握技能的能力，切實(shí)提升了學(xué)生的工程實(shí)施能力。

4 結(jié)束語

學(xué)生化工專業(yè)知識的重構(gòu)是一項(xiàng)系統(tǒng)和長期工程，需要緊緊依靠化工專業(yè)各門課程的改革和引導(dǎo)來培養(yǎng)和鍛煉以及多個(gè)環(huán)節(jié)密切配合。根據(jù)煤化工工藝學(xué)課程特色與實(shí)際，通過案例教學(xué)的方法，設(shè)置“化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的普查”、“化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的應(yīng)用”和“化工專業(yè)基礎(chǔ)知識的提升”三個(gè)層次的教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生“知識認(rèn)知”、“知識理解”和“知識應(yīng)用”三個(gè)方位的工程能力，從而為完成工程人才知識體系的構(gòu)建和專業(yè)知識的“重構(gòu)”。