“案例法”在煤化工工艺学中的运用与创新

李伟伟，高 璟，申红艳，焦纬洲，祁贵生

( 1.中北大学 化学工程与技术学院，山西 太原 030051；2.中北大学 化工综合国家级实验教学中心，山西 太原 030051)

2017年4月8日，由教育部组织，在天津大学召开“新工科建设研讨会”上提出“新时代需要培养造就一大批多样化和新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑”[1-9]。由此可见，工程人才知识体系的构建和专业知识的“重构”是国内高等教育改革的基础。煤化工工艺学作为化学工程与工艺专业由知识到能力转化的一门重要的专业课，其改革势在必行。

多年来，高校对煤化工工艺学的知识的讲解大都停留在知识层面[10]，对其他课程的知识，如化工原理、反应工程、化工热力学以及化工传递等在煤化工工艺学的应用往往讲授不够，使得学生的知识往往比较零散，缺乏系统性，不利于学生知识体系的构建。

在“新工科”的背景下，国家对工程复合型科技人才提出了崭新和较高的要求，企业往往对具有工程实践能力和工程技术经验的人才尤佳青睐。工科大学生在面临良好的发展机遇的同时也面临着巨大挑战，如何对学生复合型知识和能力的培养及提升是摆在高校面前一个重要的问题。

为了适应新时代和新工科的要求，本文着力从煤化工工艺学课程角度出发，通过耦合化工原理、反应工程、化工热力学以及化工传递等课程知识，构建化工学生复合型知识和能力，以提升其专业水平，为国家和社会培养所需的工程复合科技型人才。

1 复合型知识和能力的课程的构建

根据煤化工工艺学课程特色与实际，通过案例教学的方法，设置“化工专业基础知识的普查”、“化工专业基础知识的应用”和“化工专业基础知识的提升”三个层次的教学环节，培养学生“知识认知”、“知识理解”和“知识应用”三个方位的工程能力，构建“知识重构的复合型人才”。如图1所示，以一个煤化工典型的工艺流程为代表，讲解原料需要预热和加压到反应条件，其中涉及到化工原理中的换热器、泵和风机等以及化工传递过程中的传热和传动。随后根据反应的吸放热以及反应的体积变化情况，从热力学角度分析对反应有利的条件。结合反应工程中加快反应速率的方法，如温度、压力、浓度和催化剂等。综合热力学和动力学的基础上，选择合适的反应条件。反应得到的产物往往是混合物，需要分离提纯得到产品。其中分离方法(吸收、萃取、精馏、结晶和筛分等)的选择尤为重要，从而与分离工程进行有机衔接。反应和分离过程中，需要控制条件(温度、压力、流量和液位等)使反应和分离朝着有利的方向进行，需要通过化工仪表的检测来实现，这与化工仪表与自动化的课程进行衔接。

图1 煤化工工艺学知识重构培养体系构建图Fig.1 Construction diagram of training system for reconstructing knowledge of coal chemical technology

2 复合型知识和能力的培养体系的改革与实践

“复合型知识和能力的培养体系”从以下三个层次进行相应的教学改革与实施。

2.1 化工专业基础知识的普查

首先对化工原理、反应工程、化工热力学、化工仪表与自动化和化工传递等专业课程内容进行普查，了解学生学过的“三传一反”，基本单元操作，反应速率，反应平衡，化工过程的物料、热量和动量的传递等知识点掌握程度。通过以上调研过程，对数据进行分析，形成总结，指导教学过程。针对熟练掌握和应用的知识点，围绕教学目的和教学内容，言简意赅的讲授，将节省下来的时间用来更加细致地讲解重点和难点。针对新增知识点，在讲授时，以学生已有的基础作为切入点，通过结合具体的工艺流程，设置引导性和讨论性问题的方式组织课堂教学，帮助学生顺利实现所学的化工基本原理等知识的应用，激发学生的探究欲望和创新性思维。

以化工班为例，在讲解固体热载体干馏工艺过程中，针对煤与固体热载体如何进行分离，让学生思考化工原理以及分离工程中所学的固固分离方法。固体热载体与煤之间如何进行换热的，联系化工原理中的传热过程。费托合成过程中的反应是放热还是吸热，反应的体积是增大还是减小，如何在实际过程中兼顾动力学与热力学等。

针对上述问题，学生对固固分离方法中的筛分比较陌生，针对此进行详细讲解，通过联系生活中回收豆子的过程，来加深认识；学生对换热方式普遍掌握较好，能基本判断换热方式，这部分内容就简化讲解。

在此基础上，了解学生所学专业的课程内容安排，理清各个课程内容在工艺流程里面是如何体现的，进而针对性的安排《煤化工工艺学》课程内容，其与化工基本原理等课程内容顺利衔接。

以化工班为例，针对合成甲醇工艺流程，让学生判断哪些是传热设备，哪些是流体输送设备，产物分离的方法(吸收和萃取等)，从而与学生学习的化工原理中的单元操作结合起来，分析反应的吸放热(如何移热)和反应速率(如何加快反应，温度和压力)，与反应工程和化工热力学进行衔接，反应物之间如何混合(气泡?搅拌？)与化工传递进行紧密衔接。

2.2 化工专业基础知识的应用

表1 案例问卷

在完成化工专业基础知识的普查和讲解的基础上，通过设置问卷，给一个具体的工艺流程图，让学生自主回答问题，引导学生进行思考。如针对案例1-热载体干馏工艺-托斯考(Toscoal)工艺设计问卷(表1)，首先让学生明白化工过程的原料与产品，知道是一个生产什么的工艺，然后确定主要的反应器，仅仅围绕图2中所示的关键设备展开，反应有什么特点？在考虑热力学限制的基础上，如何加快反应速率(温度，压力，催化剂，反应物浓度的控制)，之后根据反应的要求，原料进行提纯、升温和升压。如何选择换热设备(直接式换热器和间接式换热器)，气体加压(风机和压缩机等)，液体加压(离心泵和柱塞泵等)，从而使化工原理知识得到应用，反应产物需要什么分离方法？需要考虑混合物的特点，与分离工程顺利衔接。最后对整个工艺流程图进行描述。

具体教学过程如下，首先通过学生回顾前面讲解的鲁奇鲁尔工艺，煤热干馏的基本原理，引入本节。

原料和产品：工艺流程图中的原料和产品是什么，原料(煤)和产品(油品-汽油，动力油)，如何得到产品呢，引出重要反应器(6-热解反应器，得到油品和半焦，油品通过5-分馏塔，得到汽油和动力油)。通过知晓原料和产品，了解整个工艺的目的。

分离：通常产物是混合物，需要分离，用到了哪些分离方法？(半焦和热球，筛分-依据粒径大小不同，煤气和油、渣的分离，采用精馏方法)，废气和煤的分离，旋风分离器。通过分析反应产物的分离过程，体现化工原理中的各种单元操作(气、液、固的分离)，实现最终得到产品。

热量传递：反应需要热量来自哪里？热球进行加热煤，煤的预热(热烟气)

流体输送设备：8-提升机(提升热球)2-干燥预热器 (提升煤)

工艺流程描述：煤经过给料器(1)与热废气在干燥预热器中(2)进行混合加热，然后通过旋风分离器(3)分离出废气和预热煤，预热煤随后和热球在热解反应器(6)反应，产物在筛(7)分离出半焦、热球和热解挥发产品，热半焦随后冷却得到半焦，热球通过提升机随后通过空气和煤气在球预热器(4)中加热，热球再循环使用。产生的热废气进一步预热煤。热解挥发产品在分馏塔里面进一步分离为残渣、汽油、动力油和煤气。

案例1：热载体干馏工艺-托斯考(Toscoal)工艺流程见图2。

1 -给料器； 2-干燥预热器；3-旋风分离器；4-球预热器；5-分馏塔；6-热解反应器；7-筛；8-提升机

图2 Toscoal 工艺流程[11]

Fig.2 Toscoal process flow

2.3 化工专业基础知识的提升

在完成化工专业基础知识的应用的基础上，学生对化工原理、反应工程、化工热力学、化工仪表与自动化和化工传递等专业知识在煤化工工艺学中能够进行独立的应用。为了进一步提升其灵活应用能力，通过对比和设计工艺过程来实现，采用案例法进行深入分析。案例2-灰熔聚流化床粉煤气化工艺(图3)，原料是煤，产品是煤气等。通过分析反应器和分离过程来提高其能力。该反应器为流化床，与前面讲解的固定床有什么区别？如何在反应器结构中体现换热和产物的移除？在分离过程中用到废热回收器的作用。通过与相似工艺的中的每一个装置对比，分析和理解其作用，从而深入理解工艺之间的区别，理解设计思想，为后续的工艺设计提供经验。最后布置一个开放的设计任务，如煤制甲醇或者烯烃的工艺设计，让学生绘制基本的工艺思路，工艺流程图以及需要的设备，该部分可以与毕业设计进行耦合起来。

1-煤锁；2-中间料仓；3-气体冷却器；4-气化炉；5-灰渣；6-一级旋风；7-二级旋风；

8-二级旋风下灰头；9-废热回收器；10-汽包；11-蒸汽过热器；12-脱氧水预热器；13-洗气塔

图3 灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程简图[11]

Fig.3 A brief diagram of the process flow of the ash agglomerating fluidized bed gasification

3 实践效果与分析

通过以上复合型知识和能力的培养与构建，及其在中北大学的两年来的实施，在提升学生的工程知识掌握能力、工程设计能力和工程实施能力方面效果显著。具体体现在：第一，学生毕业设计能力明显提升，在整体设计和思路上都有大幅度提高，优秀率也进一步提高。第二，学生参与各类大赛的数量增加，获奖数目逐年上升，尤其是全国化工设计大赛和全国化工实验大赛获奖等级和数量不断创新高。第三，学生承担国家级和省级等各类大学生创新创业训练项目持续增加，学生积极参与工艺设计和优化等工程实践全过程。部分学生还跟随指导教师赴企业现场，切身参与到项目的工程化实施和运行中，培养了从工程化实际中提取科学问题、获取知识、运用知识和掌握技能的能力，切实提升了学生的工程实施能力。

4 结束语

学生化工专业知识的重构是一项系统和长期工程，需要紧紧依靠化工专业各门课程的改革和引导来培养和锻炼以及多个环节密切配合。根据煤化工工艺学课程特色与实际，通过案例教学的方法，设置“化工专业基础知识的普查”、“化工专业基础知识的应用”和“化工专业基础知识的提升”三个层次的教学环节，培养学生“知识认知”、“知识理解”和“知识应用”三个方位的工程能力，从而为完成工程人才知识体系的构建和专业知识的“重构”。