化工过程分析与合成课程教学的实践探讨

第42卷第20期2014年10月广州化工

GuangzhouChemicalIndustryVol.42No.20Oct.2014

化工过程分析与合成课程教学的实践探讨

黄智贤，邱

挺，王红星，李

玲，李

晓

（福州大学石油化工学院，福建

摘

福州350102）

*

要：化工过程分析与合成是一门综合的化工专业课程，主要讲授化工生产过程模拟、分析和优化的原理和方法。本文

从教学内容、教学方法和手段入手，介绍了作者在化工过程分析与合成课程教学中应用工程思维进行创新实践教学的探索，培养学生解决实际问题的创新能力的心得体会。

关键词：化工过程分析与合成；教学研究；教学实践中图分类号：G424.1

文献标志码：A

文章编号：1001－9677（2014）020－0207－03

PracticalExplorationintheTeachingofAnalysisand

SynthesisofChemicalProcess*

HUANGZhi－xian，QIUTing，WANGHong－xing，LILing，LIXiao

（SchoolofChemicalEngineering，FuzhouUniversity，FujianFuzhou350102，China）

Abstract：Analysisandsynthesisofchemicalprocessisabasiccourseofchemicalengineering，whichmainlycontainstheknowledgeaboutsimulation，analysis，andoptimizationofthechemicalprocess.Theexplorationoftheinnovationteachingmethodwiththeviewofengineeringthinkingwasdescribedbyintroducingtheteachingcontent，teachingmethodandmeans，andtheexperimentsofthecultivatingtheabilityofsolvingpracticalproblemswerealsopresented.

Keywords：analysisandsynthesisofchemicalprocess；teachingresearch；teachingpractice

化工过程分析与合成课程是一门具有综合性、应用性、研

［1］

究性特色的化工类专业主干课程。在教育部制订的面向21世纪化学工程与工艺专业培养方案中，化工过程分析与合成课程被列为必修的化工基础课程，其教学内容涉及几乎所有的化工专业课程知识，是化工教学计划中教学内容重新整合力度较

［2］

大的一门课程。为了落实福州大学关于全面提高本科人才培养质量的实施意见，本校针对《化工过程分析与合成》课程，将原先专业方向选修课调整为专业必修课。作为一门专业必修课，化工过程分析与合成的教学改革是笔者在实践“卓越计划”中着重思考的课题。近年来，笔者以强化培养学生的工程实践能力和专业创新能力为重点，在该课程的教学实践方面进行有益探索，使学生的工程实践能力得到明显提升。

———分析———优化为主线，整合其他教学内容，形成如表1所示的课程体系。将化工模拟软件学习与课程讲授结合，通过计算机模拟计算对实际化工生产过程进行分析，锻炼学生应用理论知识解决实际工程问题的能力，使学生获得创新实践能力与工程实践能力的训练。

表1课程内容及课时安排

Table1Teachingcontentandschedule

授课内容

化工过程分析与合成基本概念单元自由度与系统结构分析

化工过程模拟方法化工过程最优化化工过程系统分析化工过程系统合成化工过程模拟软件

授课课时

2446686

1课程体系内容改革

化工过程分析与合成是将工程与工艺有机地结合起来，并通过系统优化的思想研究分析化工过程系统中的规律的一门课程。它的任务是使学生能运用系统工程的观点和方法来对化工过程进行分析与合成，使化工过程在开发、设计、操作、管理等各层面上达到最优化，实现能源经济化。该课程的主要内容

3］4］为主，综合性强、知识点多。为了让学生在以文献［和［

36课时内掌握系统工程的思想并应用于化工过程的优化，笔者

——模拟对该课程的内容重新进行梳理，以化工过程的建模—

基金项目：教育部高等学校特色专业建设点项目（项目编号TS11506）。

作者简介：黄智贤（1979－），男，副教授，博士。

*

2工程案例分析培养学生工程实践能力

化工过程分析与合成课程的研究对象是化学工程问题，但其研究方法与化学工程学科其他课程如化工热力学、化工原

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理、反应工程、分离工程等截然不同。该课程采用系统论、最优化方法等数学方法来分析问题和解决问题。因此，该课程要求学生在具备运用数学方法分析问题的能力基础上，将化工专业基础知识进行集成与整合，以达到培养学生工程实践能力的目的。按传统的教学方法，遵照教学大纲授课，教学活动的逻辑清晰，条理性强，但学生常感到抽象、复杂，更不懂如何有

［5］

效将所学理论知识应用于工程实践中。

为了避免此类情况，培养学生的工程实践能力，笔者力求将自己的科研工作内容融入课堂教学。在每次课堂授课之前布置工程案例供学生思考。这些案例主要来自企业委托的科研项目，有的来自文献。通过实际工程案例的设计与分析，引导学生如何运用所学的专业理论知识提出一个或多个解决方案，然后结合本课程教学内容对各方案进行模拟与分析，这大大激发学生的学习热情。例如，在讲授分离序列合成知识点时，笔者让学生对一个来自浙江企业委托的项目提出分离方案，其中原料组成和分离要求见表2。

表2原料组成及分离要求

Materialcompositionandseparationrequirements

ω/%445311

甲醇乙醇

9999

分离得到产品

ω/%

较低时，ΔT可取较高的传热温差，以减少换热面积，例如钛材或不锈钢换热器。当能源价格比较高时，ΔT可取较高的传热温差，以减少对公用工程的需求，例如对冷冻换热系统，ΔT取5～10℃。因此，将理论联系实际，将工程化思维引入化工设计，才能使设计更加的完善。再比如，讲授化工过程最优化知识点时，除了讲解各优化算法原理和使用范围外，还更侧重讲解如何建立优化目标以及确定约束条件。例如，对加氢反应器进行优化设计时，要将催化剂的使用温度范围，材质的的耐压范围作为一个约束条件。冷却水的温度一般与当地的气候条件相关，因此涉及到这个变量时，也应作一个约束条件。

4多样化教学提高学生课堂学习热情

Table2

原料组成甲醇乙醇醋酸甲酯甲酸乙酯

首先让学生分析待分离体系中各物质的沸点和共沸点及共沸组成。因为醋酸甲酯和甲酸乙酯的含量非常低，因此可以考

——甲虑用甲醇把这两酯类物质带走，然后再分离两主要成分—

醇和乙醇，得到以下两种分离方案，见图1

。

化工过程分析与合成课程含有众多的数学模型和优化算法，内容抽象，学生刚接触时普遍感觉枯燥无味。在课堂上进行详细的数学推导不仅占用有限的授课时间，还会增加学生的厌学情绪。因此采用现代化教学手段辅助课堂教学，使教学内容图文并茂，静、动结合，教学形式生动活泼，提高学生的课堂学习热情，对搞好课程的教学工作具有重要作用。

采用序贯模块法进行过程系统模拟时，经常会涉及断裂流股的收敛问题。课程介绍的收敛方法有直接迭代法、加权迭代法、Wegstein法、Broyden法等。选择合适的收敛方法会提高求解速度和计算精度，但是这在课堂中学生无法直接体会。因此，在比较各迭代算法的稳定性和收敛速度，笔者借助Excel的计算和绘图功能，直观表达出不同迭代算法的收敛性和求解准确性。例如对于下列例子：

x1=0.1x21+0.1x2+1x2=0.1x1+0.1x22+1

在Excel文件里键入对应的公式然后进行迭代计算，结果如图2所示。采用这种方式，更改初值或阻尼系数可以让学生方便直观地判断不同迭代算法收敛的稳定性、收敛速度以及对初值要求等

。

Fig.1

图1不同分离方案流程图

Flowsheetofdifferentseparationschemes

在此基础上，引导学生如何分析方案的可行性，比如考虑各分离方案的设备投资、分离能耗、产品甲醇和乙醇的回收率等。采用这种循序渐进的教学方法，让学生能够较容易接受并能掌握解决复杂实际工业问题的完整思路，培养了学生解决问题的能力，锻炼学生的工程实践能力。

3理论联系实际培养学生工程化思维

Fig.2

图2Excel迭代计算结果

IterativeprocesscalculatedbyExcel

对于化工专业的课程，理论教学必须联系实际，引导学生结合实际准确理解和掌握理论知识，强调工程应用，培养学生的工程化思维。在《化工原理》课程学习时，大部分学生已经掌握换热器的计算与设计。因此，笔者在讲解换热网络合成时，学生对Q=KAΔT这个换热公式非常熟悉，但是对传热温差ΔT的选取主要依靠设计手册的经验值。在设计换热器时，不仅要考虑换热器设备的价格，还要兼顾公用工程、换热介质、操作弹性等因素。当换热器材质价格比较高而能源价格比

化工过程动态模拟涉及大量的微分方程计算，计算量大。可借助AspenDynamic软件对精馏塔的动态特性进行分析。改变操作变量，得到不同时刻塔顶、塔釜的组成和流量的响应值。针对模拟结果，引导学生进行分析探讨。这种在教学活动中通过精心设计的教学内容和教学素材，可使学生的认识过程和情感过程得到协调发展，从而激发学生的认知兴趣和进一步探索的学习欲望。

（下转第232页）

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2.6综合利用现代教育技术手段，提高学习效率

现代教育技术作为一种新的教学手段，在实验课程教学中应用相对较少。将现代教育技术运用到仪器分析实验教学中，化抽象为具体，变静态为动态，模拟操作过程，将枯燥的知识

［6］

讲授变为生动形象的模拟动画，更有助于学生加深理解。在实验开始之前，以计算机仿真软件对实验过程进行动画演示、模拟，从而提高教学过程中的表现力和感染力，增加学生的学

［7］

习兴趣和热情。并利用web平台，为学生提供实验视频、参考资料，在线解疑等信息。

参考文献

［1］王霆，张锋，李暐，等．基于不同专业背景的仪器分析教学改革初探

［J］．化学教育，2014，35（2）：41－43．［2］王爱香．应用化学专业仪器分析实验课程改革与实践［J］．实验室

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［4］王霆，张锋，陈立钢，等．仪器分析实验课程教学的几点探讨［J］．广

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［5］谷苗苗，姚开安，周爱东．仪器分析实验课程改革探索［J］．实验技

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［6］王迎进，赵二劳．《仪器分析实验》课程的改革与实践［J］．忻州师范

2013，29（5）：34－36．学院学报，

［7］景伟文，杜光明，李君．边远地区农科院校开展仪器分析实验课程

J］．高教论坛，2014（4）：61－63，80．的教学体会［

3结语

仪器分析实验是对仪器分析理论检验、巩固和提高的过

程，同时也是学以致用的过程。仪器分析实验的改进与完善，对于培养学生良好的理论系统和实验技能具有重要的作用。只有不断改革和创新，提高教学质量，调动学生积极性，才能更好的提升教学成效。

檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵

（上接第208页

）

工程实践能力的思路，是各高等院校的教学指导思想。笔者在化工过程分析与合成教学上的进行不断探索，通过教学内容梳理，将实际案例引入课堂教学，理论联系实际，锻炼学生的工程实践能力，使学生具备对化工生产过程进行模拟、分析、评价以及优化的思维，培养学生将化工过程分析与合成的基本方法运用于化工生产实践的能力。

参考文献

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图3AspenDynamic动态模拟结果

Fig.3AspenDynamicsimulationresults

5结论

以“卓越计划”培养工程技术人才为目标，培养工科学生