工程教育专业认证背景下, 分离工程课程教学改革探析

胡大乔，吴明元

(安徽大学化学化工学院，安徽 合肥 230039)



工程教育专业认证背景下, 分离工程课程教学改革探析

胡大乔，吴明元

(安徽大学化学化工学院，安徽 合肥 230039)

[摘要]对照工程教育专业认证标准，结合校化学工程与工艺专业培养方案中十项毕业要求，重点从掌握基本理论知识、运用所学化工专业理论和技术手段分析并解决化学工程问题、掌握基本的创新方法且具有追求创新的态度和意识三个方面展开讨论，从教学理念、教学体系、教学内容、教学模式、教学方法、教学手段等角度提出了分离工程课程的教学改革设想。

[关键词]工程教育；专业认证； 分离工程； 教学改革

1工程教育专业认证背景

我国的工程教育专业认证由中国工程教育专业认证协会组织实施，始于1993年土建类专业评估，2006年正式在多个专业领域实施，迄今己走过9年的发展历程，其目的是：构建工程教育的质量监控体系，推进工程教育改革，进一步提高工程教育质量；建立与工程师制度相衔接的工程教育专业认证体系，促进工程教育与工业界的联系，增强工程教育人才培养对产业发展的适应性；促进中国工程教育的国际互认，提升我国工程技术人才的国际竞争力。

2结合毕业生十项毕业要求中的主要三项, 提出课堂教学改革具体措施

结合专业认证标准，我校化学工程与工艺专业培养方案中明确规定了本专业学生毕业时应达到十项毕业要求。《分离工程》课程作为专业基础课程，在化工热力学和化工传递过程知识的基础上，采用理论与实践密切结合的方式，详细阐述各类分离过程(精馏、吸收、解吸、萃取、膜分离、吸附、浸取、结晶和干燥等)的物理化学原理、设计计算方法、工业应用、主要设备、数学模型和计算机应用软件，并展示分离过程学科的发展历史和主要进展。本文针对《分离工程》课程贡献于毕业生十项毕业要求中的主要三项，分别展开讨论。

2.1掌握扎实的化学工程基础知识和本专业的基本理论知识，具有系统的工程实践学习经历，了解本专业的前沿发展现状和趋势

按照该项要求，我们在授课中，一方面强调基础理论知识的学习，对复杂及多样性的分离技术按原理进行分类，如：通过加入分离媒介生成两相的分离为平衡分离，如精馏、吸收等；不需要加入分离媒介，以压差、浓度差、电位差等为推动力的分离过程为速率分离，如膜分离； 对多组分精馏计算由浅入深展开，由假定理想情况下的简捷法计算入手，建模用MESH方程开展严格法计算，为解决实际工业应用问题奠定了理论基础。并强调本专业知识和化工原理、化工热力学、化工设备等其他专业基础知识的对立统一，如在介绍最小回流比知识点时，要注意比较多元精馏与化工原理中介绍的二元精馏中最小回流比的异同点，二元精馏中最小回流比下，进料板上下出现一个恒浓区，可通过作图法求解；而多元精馏体系中最小回流比下出现了两个恒浓区，且恒浓区出现的位置视待分离组分性质的不同而不同，通常利用Underwood(恩德伍德)方程求解；再比如在介绍相平衡常数的求解时，要结合化工热力学课程中活度系数法及逸度系数法，进一步巩固两种求解方法的优缺点。

另一方面结合行业发展前沿趋势，介绍新兴分离技术在工业中的应用。如泡沫分离技术，它根据表面吸附的原理，借鼓泡使溶液内的表面活性物质聚集在气液界面(气泡的表面)上浮至溶液主体上方形成泡沫层，将泡沫层和液相主体分开，就可达到浓缩表面活性物质和净化液相主体的目的。近年来，在染料、皮革、石油化工工业污水中降低化学耗氧量、色素、有机化合物等，在浓度为ppm级的大量稀溶液中回收贵金属、稀有金属或除去有害物质等工业领域得以应用。还有近年来崛起的一种新兴膜分离技术：液膜分离，即以液膜为分离介质、以浓度差为推动力的一种膜分离过程。由于其分离选择性高、通量大而受到关注，在烃类混合物的分离、废水的处理及生物医学上如液膜人工肝、人工肺、人工肾等领域得到应用。

在工程实践方面，我们分别组织学生参观了中国石化集团安庆石油化工总厂及中盐安徽红四方股份有限公司，并结合课程内容，重点介绍炼油工艺中的常减压蒸馏装置及原料气净化处理过程中的吸收装置。如吸收设备中喷雾塔、调料塔、板式塔的选择，填料塔中各种填料如鲍尔环、脉冲填料、网孔栅格的选择，塔高的计算等，在实践中强化理论知识的学习，并将课本中的公式及知识应用到工厂案例中去。

2.2具备设计和实施工程试验的能力，并能够对试验结果进行分析；具有综合运用所学化工专业理论和技术手段分析并解决化学工程问题的基本能力

主要包括以下几个方面的内容：能独立完成实验方案的设计、能正确地操作实验装置，安全地开展实验、能正确地采集、整理实验数据，对实验结果进行关联、分析、解释，并且掌握工程实践、科学研究与工程设计的基本方法，能够将所学课程有机联系起来，对化学工程基本问题，加以分析并予以解决。针对该项要求，我们在课程教学中，将课程和专业实验相结合。如在介绍反应精馏章节时，以催化反应精馏制甲缩醛为例，该实验为典型的工程与工艺结合的专业实验，以甲醇和甲醛为反应原料，浓硫酸为催化剂，在常压下通过反应精馏法制备甲缩醛。教学过程中，我们引导学生先思考传统合成、分离工艺，找出问题，寻求改进后的工艺流程。传统工艺采用先反应再利用精馏技术分离，存在反应转化率低、未反应的稀甲醛回收困难、稀甲醛的浓缩产生甲酸严重腐蚀设备等问题。为解决传统工艺存在的问题，引导学生结合本章节内容，采用反应精馏工艺。新工艺的优点：1.甲缩醛氧化所得甲醛与水的摩尔比为：醛/水=3，可直接作为三聚甲醛的原料，不必浓缩。2.甲缩醛的合成可在较低温度(44～80℃)下进行，避免了甲酸生成，解决了设备腐蚀问题。新工艺的关键技术：甲缩醛的合成与分离。实验过程中既需要考察反应工程影响因素如温度效应、浓度效应及其他工程因素，同时要考察精馏技术影响因素如回流比、塔顶采出率及塔釜加热量等。综合考虑后，结合实验装置，确定拟考察的工艺参数，且采用正交设计来制定本实验的方案，则根据实验涉及的影响因子，并假设每个因子取两个水平，可得到如下实验条件表，如表1所示。最后整理实验数据，规范作图。

表1　催化反应精馏制甲缩醛正交实验安排表

2.3掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识；具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力

该项要求可分解为以下指标点：运用所学知识，初步设计化工操作单元、设备及工艺过程；在各化工设计、毕业设计环节中体现创新意识。结合该指标点，我们鼓励学生利用课余和节假日时间开展大学生科研实践训练、创新性实验计划、学科竞赛等课外实践与创新活动，引导学生“在学习中研究、在研究中学习”，激发学生的创新思维和创新意识，提升本科生的创新实践能力。我们将课程教学与本科生毕业设计相结合，并利用课程设计环节综合应用所学知识点，统筹分离工程课程与其他专业基础课程，并在分离工程的课程教学中以往年毕业设计内容为案例加以剖析。如结合毕业设计课题“乙烯裂解气脱甲烷系统的工艺设计”，涉及到脱甲烷精馏塔的计算，这是典型多组分精馏塔计算的一个案例。首先确定关键组分是甲烷和乙烯，其中轻关键组分是甲烷，重关键组分是乙烯。塔顶分离出来的甲烷轻馏分应使其中的乙烯含量尽可能的低，以保证乙烯的回收率。而塔釜产品则应是甲烷含量尽可能低，以确保乙烯产品的质量。我们利用Aspen Plus过程模拟软件高效地完成了工艺计算及参数的优化。采用DSTWU模块开展简捷法物料衡算、能量衡算，所得回流比与理论板数关系曲线如下图1所示；并将简捷法计算结果作为初值代入RadFrac模块进行严格法计算，并进行灵敏度分析，横坐标为混合进料位置，纵坐标为塔顶甲烷的纯度(摩尔分率)，得到关系曲线如图2所示。通过该设计案例的开展，一方面使得学生们统筹所学多组分精馏知识点去思索如何解决工业上的实际问题，另一方面在分析实际工业案例时，又强化了同学们对多组分精馏简捷法计算及严格法计算的理解和综合应用。

图1　回流比与理论板数关系曲线

图2　进料位置与塔顶甲烷纯度关系曲线

3结束语

分离工程课程在教学过程中，我们以化学工程与工艺本科专业认证为导向，在对“工程教育专业认证标准”进行认真分析的基础上，以工程实际为切入口，把分离技术的理论与方法融入应用实例，将分离工程基础理论与化工工程实践有机结合，进一步突出了分离工程的课程特点及实用性，而且根据现代化工的发展方向及时调整、更新课程内容，加强化工新型分离技术分析，让学生更坚实地掌握分离工程的基本理论，进一步提高教学效果。

[参考文献]

[1]刘家祺. 分离过程[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[2]J.D.Seader. Separation Process Principles [M]. 北京：化学工业出版社，2002.

[3]李晓. 工程素质贯穿式培养的化工工程教育模式的探索与实践[J].化工高等教育，2012(3)：18-20.

[4]邓修. 化工分离工程[M].北京：科学出版社，2011.

[中图分类号]G642

[文献标识码]B

[文章编号]1674-2273(2015)06-0092-02

作者简介][第一 胡大乔(1982-)女，安徽合肥人，安徽大学化学化工学院教师，博士，研究方向：功能材料。

[基金项目]安徽大学本科教育质量提升计划项目(xjjyxm14037)

[收稿日期]2015-07-20