化工原理實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)教學(xué)探討*

唐正姣，陳蘇芳，李 萍，覃遠(yuǎn)航

(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430205)

化工原理實(shí)驗(yàn)是化工原理課程體系中重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用單元操作原理解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力[1-3]。各高校都在積極探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。有的改進(jìn)教學(xué)方法[4-6]，如采用比較教學(xué)法、五步教學(xué)法和翻轉(zhuǎn)課堂線上線下融合；有的改革教學(xué)內(nèi)容[7-8]，如增設(shè)演示型、驗(yàn)證型、研究開發(fā)型、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和開放型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；有的改革試驗(yàn)教學(xué)過(guò)程[9-11]：對(duì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作模式、考核體系進(jìn)行改革；有的將理論與實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行、相互滲透[12]。而實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)課程中一項(xiàng)重要內(nèi)容[13]，是實(shí)驗(yàn)應(yīng)該培養(yǎng)的學(xué)生核心能力，體現(xiàn)了學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決工程問(wèn)題的能力。浙江大學(xué)、天津大學(xué)、大連理工大學(xué)、華南理工大學(xué)等院校的化工原理研究生入學(xué)考試中針對(duì)化工原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，常常包括實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)，如天津大學(xué)研究生入學(xué)考試考研大綱中實(shí)驗(yàn)考試的內(nèi)容[14]為：實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)流程及裝置，實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等。然而關(guān)于化工原理實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)的教學(xué)研討少見(jiàn)發(fā)表，郭翠梨[13]從實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀表的設(shè)計(jì)與選擇，實(shí)驗(yàn)裝置的安裝，實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)試三個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。但主要內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)的大原則，并未針對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)任務(wù)中主體設(shè)備、輔助設(shè)備、測(cè)量?jī)x表的確定過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。武漢工程大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)于2016年通過(guò)了教育部全國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證。該?；ぴ碚n程發(fā)展中心教師團(tuán)隊(duì)根據(jù)多年的本科教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提煉出化工原理實(shí)驗(yàn)的共性，總結(jié)出參數(shù)歸類法指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)，與同行們交流。

1 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)問(wèn)題的內(nèi)容

問(wèn)題舉例：試設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，通過(guò)該裝置可以測(cè)定無(wú)縫鋼管的λ～Re關(guān)系曲線。(1)說(shuō)明需測(cè)量哪些參數(shù)，畫出實(shí)驗(yàn)流程示意圖，并標(biāo)出測(cè)試儀表的名稱與測(cè)試點(diǎn)；(2)簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)步驟；(3)說(shuō)明λ～Re關(guān)系曲線需在何種坐標(biāo)紙中標(biāo)繪。

可見(jiàn)對(duì)于特定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)包括的內(nèi)容有：(1)實(shí)驗(yàn)原理；(2)測(cè)量參數(shù)與儀表；(3)流程圖；(4)實(shí)驗(yàn)步驟；(5)原始數(shù)據(jù)記錄表格；(6)數(shù)據(jù)處理。

2 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)參數(shù)歸類教學(xué)法介紹

從教學(xué)實(shí)踐看，實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)處理3項(xiàng)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)教材介紹得較為詳細(xì)。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)和流程設(shè)計(jì)中遇到的主要問(wèn)題是：如何確定測(cè)量參數(shù)與儀表？如何自己繪制流程圖？如何確定原始數(shù)據(jù)記錄表格？筆者認(rèn)為由于每一個(gè)化工原理實(shí)驗(yàn)的任務(wù)都是通過(guò)物料在特定的單元設(shè)備內(nèi)操作得以實(shí)現(xiàn)。雖然每個(gè)實(shí)驗(yàn)所涉及的參數(shù)數(shù)目迥異，但是都可以分為三大類：設(shè)備(裝置)參數(shù)、操作參數(shù)和物性參數(shù)。為此筆者提出參數(shù)歸類教學(xué)法指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)。具體過(guò)程見(jiàn)下：

第一步，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)提煉出測(cè)量原理方程。該步驟是流程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一。通常每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理都會(huì)有多個(gè)方程。在該步驟不是羅列實(shí)驗(yàn)原理涉及的所有方程而是確定直接反映實(shí)驗(yàn)任務(wù)的方程。

第二步，將原理方程中的物理量按照設(shè)備(裝置)參數(shù)、操作參數(shù)、物性參數(shù)進(jìn)行歸類，該步驟也是流程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟?？v觀各種版本的實(shí)驗(yàn)教材，每個(gè)基本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容通常為：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、裝置圖、實(shí)驗(yàn)步驟、原始數(shù)據(jù)記錄表、報(bào)告要求和思考題。并沒(méi)有對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行分析。這導(dǎo)致學(xué)生閱讀裝置圖時(shí)，對(duì)于為什么要設(shè)置測(cè)量?jī)x表感到茫然？在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生經(jīng)常直接看儀表盤有哪些測(cè)量?jī)x表？而不是看裝置圖中儀表的測(cè)量位置。為解決學(xué)生的困惑，筆者在講授實(shí)驗(yàn)課時(shí)不僅僅介紹測(cè)量的原理，還對(duì)測(cè)量原理方程所涉及的參數(shù)進(jìn)行分析。并且不以參數(shù)的數(shù)目逐一分析，而是按照設(shè)備(裝置)參數(shù)、操作參數(shù)和物性參數(shù)進(jìn)行分類。這種分類方法體現(xiàn)了化工原理實(shí)驗(yàn)的工程特色。不論參數(shù)多寡都?xì)w為三類，有如綱目，目之多寡皆入綱?？梢越宕伺囵B(yǎng)學(xué)生的洞察力和從看似毫無(wú)規(guī)律的現(xiàn)象中尋找規(guī)律、發(fā)現(xiàn)共性的意識(shí)。這一步其實(shí)是理論課的設(shè)計(jì)型計(jì)算在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

第三步，根據(jù)操作參數(shù)與物性參數(shù)確定需要配置的儀表，為繪制流程示意圖奠定基礎(chǔ)。

第四步，確定工況變化時(shí)的調(diào)節(jié)參數(shù)與調(diào)節(jié)手段。由于化工原理實(shí)驗(yàn)基本上都需要測(cè)量多個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)即對(duì)應(yīng)多個(gè)工況，所以需要明確獲得不同數(shù)據(jù)點(diǎn)要調(diào)節(jié)的參數(shù)與調(diào)節(jié)手段。這樣分析有助于學(xué)生理解理論課的操作型計(jì)算問(wèn)題。

第五步，根據(jù)第三步與第四步確定的儀表添加主體設(shè)備、輔助設(shè)備、管件與閥件繪制流程示意圖。

實(shí)驗(yàn)裝置是由各種單元設(shè)備和測(cè)試儀表通過(guò)管路、管件和閥門等以系統(tǒng)的合理的方式組合而成的整體[13]。所以化工原理的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置可以歸類為以下4類部件：(1)主體設(shè)備；(2)輔助設(shè)備；(3)測(cè)試儀表；(4)管道、閥門、管件。

主體設(shè)備與測(cè)試儀表由第一步至第三步得到。下面就選擇輔助設(shè)備與閥門的依據(jù)進(jìn)行分析：

(1)輔助設(shè)備

化工原理實(shí)驗(yàn)中所用的輔助設(shè)備主要包括輸送機(jī)械和換熱設(shè)備。

輸送設(shè)備：輸送液體時(shí)配備泵與貯液槽，液體也可以通過(guò)高位槽輸送；輸送空氣配風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)。

換熱設(shè)備：若流體在整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程中有換熱需求，按以下情況分別處理：①氣體為蒸汽，則配水槽和蒸汽發(fā)生器；②空氣作為加熱介質(zhì)，則配電加熱器；③蒸汽需冷凝，配冷凝器(精餾單元)；④液體需汽化，則配再沸器。

(2)閥門

閥門在配置時(shí)遵循以下原則：①離心式輸送機(jī)械在出口管路上配流量調(diào)節(jié)閥；②正位移式輸送機(jī)械配旁路調(diào)節(jié)閥；③轉(zhuǎn)子流量計(jì)的下方裝流量調(diào)節(jié)閥；④液體貯槽要配排液閥門。

第六步，根據(jù)第二步與第四步的分析結(jié)果確定原始數(shù)據(jù)記錄表。在繪制原始數(shù)據(jù)記錄表時(shí)，設(shè)備參數(shù)通常為一次性數(shù)據(jù)。若實(shí)驗(yàn)僅需一組數(shù)據(jù)，反映物性參數(shù)的儀表數(shù)據(jù)與操作參數(shù)數(shù)據(jù)全部列在原始數(shù)據(jù)表格內(nèi)；若需測(cè)量多組數(shù)據(jù)，除傳熱實(shí)驗(yàn)外反映物性數(shù)據(jù)的溫度記在表頭，操作參數(shù)列在原始數(shù)據(jù)記錄表內(nèi)。

上述的參數(shù)歸類法開展流程設(shè)計(jì)的過(guò)程可以簡(jiǎn)要地用圖1表示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)參數(shù)歸類法操作步驟圖Fig.1 The operating step chart ofparameter classification method of experimental process design

3 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)參數(shù)歸類教學(xué)法實(shí)例

以測(cè)定無(wú)縫鋼管的λ～Re關(guān)系曲線的流程設(shè)計(jì)任務(wù)為例，運(yùn)用參數(shù)歸類法的教學(xué)過(guò)程見(jiàn)下。

第一步，確定測(cè)量原理方程。

流體流過(guò)長(zhǎng)為l、內(nèi)徑為d的水平直管，在直管的上游1-1截面與下游2-2截面間列伯努利方程有：

(1)

(2)

對(duì)于水平直管u1=u2，z1=z2，式(1)變?yōu)椋?/p>

(3)

所以有：

(4)

(5)

式中：d為直管內(nèi)徑，m；hf為直管阻力損失，J/kg；l為管長(zhǎng)，m；Δpf為直管阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；p1,p2分別為上游與下游截面的壓強(qiáng)；z1,z2分別為上游與下游截面的高度，m；qV為流量，m3/s；ρ為流體的密度，kg/m3；μ為流體的粘度，Pa·s。

可見(jiàn)，方程(4)、(5)為測(cè)量原理方程。

第二步，參數(shù)歸類。

方程(4)～(5)包含的自變量參數(shù)有：d、Δpf、ρ、l、qV、μ，共6個(gè)參數(shù)，按三參數(shù)歸類結(jié)果為：設(shè)備參數(shù)：d、l；操作參數(shù):qV、Δpf；物性參數(shù)：ρ、μ。

第三步，確定測(cè)量?jī)x表。

設(shè)備參數(shù)d、l：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)選定，不需配備測(cè)量?jī)x表；

操作參數(shù)qV、Δpf：用流量計(jì)測(cè)qV，用壓差計(jì)測(cè)Δpf；

物性參數(shù)ρ、μ：用溫度計(jì)測(cè)液體的溫度，通過(guò)溫度確定液體的ρ、μ。

綜合分析，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)需要配備的儀表有：流量計(jì)，壓差計(jì)，溫度計(jì)。

第四步，確定工況變化時(shí)的調(diào)節(jié)參數(shù)與調(diào)節(jié)手段。

在這一步可以引導(dǎo)學(xué)生思考在自變量參數(shù)中改變哪個(gè)參數(shù)實(shí)驗(yàn)成本低，操作方便？從6個(gè)自變量(d、l、Δpf、qV、ρ、μ)看，改變qV最方便，改變?chǔ)选ⅵ袒騞、l成本增加。再進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生，改變qV的途徑：是改變管路特性曲線還是改變泵的特性曲線？通過(guò)這樣的分析加深了學(xué)生對(duì)工程實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和理論對(duì)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)作用的認(rèn)識(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

第一至第四步的結(jié)果可以用圖2表示。

圖2 測(cè)定無(wú)縫鋼管的λ～Re關(guān)系曲線的流程設(shè)計(jì)步驟圖Fig.2 The step chart of process design of measuring the relationship of λ with Re for a seamless steel tube

第五步，繪制實(shí)驗(yàn)裝置圖(略)。

第六步，繪制原始數(shù)據(jù)記錄表。

表1 直管流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Table 1 Original data of experiment of fluid flow friction

4 課后問(wèn)卷調(diào)查

(1)你愿意用一核心三要素參數(shù)法剖析實(shí)驗(yàn)原理還是直接看實(shí)驗(yàn)書的原理介紹？

(2)你能運(yùn)用一核心三參數(shù)法制定實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄表嗎?

(3)學(xué)習(xí)一核心三參數(shù)法后對(duì)于新的化工原理實(shí)驗(yàn)任務(wù)，你能自己進(jìn)行流程設(shè)計(jì)嗎？

從問(wèn)卷結(jié)果可見(jiàn)，80%以上的同學(xué)愿意用一核心三參數(shù)法剖析實(shí)驗(yàn)原理，90%以上的同學(xué)能根據(jù)一核心三參數(shù)法自己規(guī)劃實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，近80%的同學(xué)能用一核心三參數(shù)法進(jìn)行流程設(shè)計(jì)。可見(jiàn)一核心三參數(shù)法教學(xué)效果顯著。教學(xué)實(shí)踐與結(jié)語(yǔ)。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者在2017級(jí)精細(xì)化工、化學(xué)工程與工藝卓越工程師、2018級(jí)藥物制劑專業(yè)進(jìn)行了化工原理參數(shù)歸類教學(xué)法的實(shí)踐。并在學(xué)生學(xué)習(xí)該方法后，遇到新的化工原理實(shí)驗(yàn)任務(wù)能否自己進(jìn)行流程設(shè)計(jì)進(jìn)行問(wèn)卷。近80%的同學(xué)認(rèn)為有信心自己進(jìn)行初步的實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)。學(xué)生反饋該法能讓他們積極思考，主動(dòng)作為，發(fā)現(xiàn)共性，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情且易于掌握。

在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的流程設(shè)計(jì)能力，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，讓學(xué)生成為設(shè)計(jì)者，提高學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。流程設(shè)計(jì)參數(shù)歸類法有利于學(xué)生掌握與理解化工原理實(shí)驗(yàn)的共性，一年的教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明采用該法教學(xué)，學(xué)生易學(xué)易于實(shí)踐。誠(chéng)然該方法的具體實(shí)施還有待繼續(xù)實(shí)踐與完善。