基于应用型人才培养的化工分离工程课程教学的研究

沈国良 班玉凤 朱海峰 徐铁军 朱 静 刘红宇 宋菊玲

(沈阳工业大学石油化工学院，辽宁 辽阳 111003)

化工分离工程是研究化工生产过程中物质分离与纯化的工程技术学科。许多天然存在的物质都是以混合物的形式存在、化学反应产物一般都是混合物，要从其中获得具有使用价值的一种或几种产品，必须对其进行分离。化工、炼油、医药、食品、冶金、材料等工业生产过程中大量采用分离技术，以获得符合使用要求的产品。分离过程还是环境保护中用于污染物清除、分离以及资源化的一个重要环节。

2015年，化学工程与工艺专业被辽宁省教育厅确定为向应用型转变教学改革试点专业，作为必要的专业课程，我们对化工分离工程课程进行了深入研究，面向应用型人才培养，对化工分离工程课程的教学体系、教学内容进行大幅度改革。

1 化工分离工程课程的地位与作用

分离技术目前的应用已不限于化学工业和石油化学工业，核工业用各种分离方法提取、生物化工用分离技术对高附加值的产品进行分离、微电子工业中对空气进行净化、环境保护中对SOX、NOX的清除等生产过程都离不开分离过程。

化学工程与工艺专业开设化工分离工程课程，就是为了使学生掌握实际化工生产过程(多组分的分离)中各种分离过程的基本原理、基本流程、基本操作、基本计算，掌握分离技术在化工生产过程中的实际应用，了解新型分离技术，并为学习化工工艺学、化工工艺设计等后续课程以及毕业设计、解决化工过程的实际问题打下牢固的基础[1，2]。

长期以来，根据石油、石化、化工等行业以及整个社会对人才的需求，坚持不懈抓化工分离工程课程的建设，不断进行教学改革，不断探索提高课程教学质量的新途径，在教学体系、教学内容、教学手段等方面开展了一些工作，取得了较好效果，2006年被评为辽宁省精品课程。

2 化工分离工程理论的形成与发展

1901年，戴维斯在多年的化工生产实践中，逐步将化工生产过程各步骤加以分类，归纳为若干共性单元操作，在英国出版由他编著的世界上第一本《化学工程手册》。在该书中把化工生产过程归纳为蒸发、蒸馏、吸收、结晶、透析等分离过程单元，从而确立了分离单元操作的概念。

1923年，美国麻省理工学院的刘易斯和麦克亚当斯合著的《化工原理》出版，推出了传质与分离单元操作的定量计算方法，化工分离工程的理论初见端倪。

20世纪20至30年代，一批分离工程著作先后问世，先后出版了包括鲁宾逊的《精馏原理》(1922)与《蒸发》(1926)、刘易斯的《化工计算》(1926)、舍伍德的《吸收与萃取》(1937)等著作，使化工分离工程的理论得到完善。

20世纪前期，在总结化工生产实践经验的基础上，形成了化工分离单元操作的概念；20世纪中期，分离工程理论得以充实和完备；20世纪后期，分离技术不断深化与拓宽。分离单元操作作为过程工业中的一个不可缺少的环节，在化学工业与相关工业中起着重要且不可替代的作用。分离技术的发展和不断进步正促进着化学工业与相关工业的发展，提高了相应的生产技术水平。

按物理化学原理，工业上常用的化工分离操作可分为平衡分离过程和速率分离过程两大类：(1)平衡分离过程是借助于热能、溶剂和吸附剂等媒介，使均相混合物变成两相，包括气液传质过程(蒸馏、吸收等)、液液传质过程(萃取等)、气固传质过程(吸附等)、液固传质过程(离子交换、浸取等)；(2)速率分离过程是在浓度差、压力差、电位差等推动力作用下，利用各组分的扩散速率差异进行分离，包括膜分离(超滤、反渗透等)、场分离(电泳、热扩散等)。

3 化工分离课程体系与教学内容的改革

3.1 课程教学体系的改革

化工分离工程课程是化学工程与工艺专业的一门专业课。一个时期以来，化工分离工程课程教学体系仅限于理论教学、计算机辅助简单计算、实验教学，其理论教学主要讲授化工分离过程的基本原理、基本流程、数学模型的建立与求解方法，本应属于计算机辅助计算的内容只介绍计算流程框图[3]。

按照应用型人才培养目标要求，化工分离工程课程教学体系着力于知识应用能力的培养，教学内容注重针对性和实践性，注意应用性与先进性、针对性与系统性、专业性与综合性的关系。结合课程特点，新构建的化工分离工程课程教学体系包括理论教学、计算机辅助严格计算、流程模拟、实验教学，强调了计算机在化工分离工程课程教学中的应用，形成了一个比较完整的理论与实践相辅相称的课程体系，以确保化工分离工程课程教学质量。其理论教学内容更加突出工程应用，将过去主要讲数学模型的建立与求解方法的理论课教学内容，增加了设备及其操作、实际应用内容，加强了分析解决工程实际问题能力的培养；大量复杂计算采用计算机辅助计算，在课堂和课后作业上新引入常用的办公软件Excel进行辅助计算，每一部分内容都要求学生自己用计算机辅助计算；课程最后，将所学过的分离知识，按照分离设备工艺设计内容，采用过程模拟软件Chem CAD和Aspen Plus进行计算。

化工分离工程课程实验教学的目的是培养学生动手操作的能力和分析问题、解决问题的能力。根据专业学生培养要求及化工分离工程课程的特点，化工分离工程实验不单独设课，将化工分离工程课程的实验内容合并到专业实验课中，但要与理论课同步开出。现已经能够开出工程性实验2个、综合性实验1个。

考虑到实际化工生产过程中高大的分离设备不能亲自动手操作，开展了用化工虚拟仿真替代部分化工实际生产现场操作，使化工分离工程课程涉及的分离过程操作通过仿真得以实现。

3.2 课程教学内容的改革

在化工分离工程课程教学过程中，为实现应用型人才的培养，课程教学内容突出做好：注重并贯穿对学生知识应用能力的培养，重视分离方法创新意识的培养；将过去主要讲通过物料衡算建立数学模型与求解方法，增加了设备及其操作内容，使课程内容更加实用；教学内容注重针对性和实践性、注意应用性与先进性；课程教学还配合实验教学、化工仿真教学等内容。

化工平衡分离过程的计算是以平衡常数的计算为基础的，严格的平衡常数计算过程非常复杂，一般平衡分离过程的严格计算只能通过编程由计算机来完成。编程比较麻烦，学生自己编程进行计算很难实现。现阶段学生主要学习C语言，学生很少用C语言编程进行严格的平衡常数计算。因此，在以往的化工分离工程课程教学中，对平衡分离过程的严格计算只作简单介绍，并不要求进行严格计算，在一定程度上限制了使用性教学，也影响了知识应用性教学，不用计算机计算意味着化工分离工程知识的学习没到家。常用的办公软件Excel具有强大的运算功能，但过去一直仅用于简单计算。实际上，充分利用Excel提供的运算功能，只需输入相应的公式，无需编程，就能完成复杂的化工计算，计算过程简单、直观[4，5]，学生非常容易掌握。由于Excel具有较强的数组和公式的复制功能，所以使用Excel计算混合物性质具有无可比拟的优越性。化工分离工程课程尝试将Excel用于分离过程的计算，既可以实现节省学生做练习的时间，又可在没有编程的情况下对分离过程进行严格计算。

化工流程模拟技术利用计算机高超的计算能力解算化工过程的数学模型和模拟化工过程的性能。20世纪60年代初，FORTRAN、ALGOL、COBOL等高级语言相继问世，为化工过程模拟的普遍应用提供了条件。各有关大学、研究机构和炼油、石化公司纷纷开始研制自己的模拟系统，到60年代末，化工流程模拟的概念被普遍接受。从20世纪70年代起，流程模拟的可靠性不断提高，应用范围不断扩大，开始成为化学工程师的常规工具。商用模拟系统的规模日益扩大，功能不断增强。到20世纪70年代末，流程模拟已得到普遍信任，化工过程模拟得到了工业界的普遍承认。进入20世纪80年代，化工流程模拟软件的开发、研制走向专业化和商品化，从过去的分散在大学和各个炼油、石化公司转向主要由专门的化工软件公司进行。模拟计算的准确性和可靠性大大加强，应用范围不断拓宽，功能愈益丰富，使用越来越方便，并且涌现出一批著名的、影响广泛的商业化软件。从20世纪90年代开始，化工模拟的主要特点是从“离线”走向“在线”，从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化，从单纯的稳态计算发展到和工业装置紧密相联，化工过程模拟获得了大范围的推广应用，不仅在设计、研究部门是必备的工具，在各炼油、石油化工企业中也广为应用。随着计算机计算能力快速提高和软件技术开发的迅猛发展，流程模拟计算的准确性和可靠性大大加强，应用范围不断拓宽，功能也日益丰富，流程模拟计算软件的应用越来越受到人们的重视。目前，化工流程模拟广泛使用的主要软件有Chem CAD和Aspen Plus。Chem CAD是美国Chemstation公司开发的，用于化工领域中工艺开发、工程设计、优化操作和技术改造，便于学习和掌握，一直受到广大化学和化工技术人员青睐。Aspen Plus是美国能源部开发的化工流程模拟软件，是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统，采用化学工程师所常用的流程求解技术能够实现对化工单元操作及整个工艺流程的模拟，其功能强大、应用广泛的一种过程模拟软件系统。从工程能力上，要求学生能够用现代流行的大型工具软件Chem CAD、Aspen Plus等。为了满足化工流程模拟软件应用需要，根据多年教学经验和对软件的应用实践，编写了《流程模拟软件ChemCAD在化工中的应用》一书，该书的重点是化工工艺计算、设计内容，详细介绍了化工过程的计算及具体应用，注重实用性，便于掌握。

实验教学与理论教学有机结合、同步进行，增强了学生工程意识，显著地提高了学生实际动手能力和解决问题的能力。实验与实际应用紧密相结合，激发了学生的学习热情，调动了学生的积极性，实践动手能力明显提高。

4 结 语

化工分离工程课程按照新构建的课程体系组织教学，将传统教学与现代教学有机结合，充分利用计算机辅助教学，解决化工分离实际生产过程的多元组分复杂计算问题，符合应用型人才培养目标要求，极大地促进了学生分析实际问题能力的提高。

应届毕业生以及历年毕业生认为化工分离工程课程教学理论联系实际、注重应用。他们学到了化工分离工程的基本知识、基本应用，培养了他们的工程能力。同时，也学到了分析问题、解决问题的方法，提高了他们的实际应用能力，为工作打下了很好的基础。

现代科学技术的迅速发展，分离技术将得到进一步的发展和提高，给化工分离工程教学提出了许多新的课题，面临着巨大的挑战和机遇。

[1] 刁显珍，陈以会，许静. 化工分离工程课程教学改革与实践[J]. 重庆科技学院学报(社会科学版),2013，(9)：203～205.

[2] 朱靖，刘永光. 化工分离工程教学改革与实践[J]. 河北理工大学学报(社会科学版)，2011，11(3)：100～102.

[3] 李伟，朱家文，徐心茹 等. 现代化工模拟软件在分离工程课程教学中的应用[J]. 化工高等教育，2007，(2)：66～68.

[4] 班玉凤，常圣泉，朱海峰 等. EXCEL在非理想系泡露点计算中的应用[J]. 计算机应用与软件，2010，27(11)：181～183.

[5] 班玉凤，朱海峰，朱静 等. 基于Excel计算复杂的流体混合物的化工热力学性质[J]. 计算机应用与软件，2011，28(10)：275～277.