教-赛融合促进《化工分离工程》课程教学改革的研究*

刘国阳，贺新福，汪广恒，章结兵

(西安科技大学化学与化工学院，陕西 西安 710054)

随着社会经济的发展，化工生产过程已成为我们日常衣、食、住、行多领域必不可少的生产环节，而在化工生产过程中分离过程又占有绝对的重要性，因此《化工分离工程》成为化工专业学生必修的一门专业课程。近年来，为了多方面培养大学生的创新思维和工程技能，培养团队协作精神，增强大学生的工程设计与实践能力，迎合现代化工行业对工程技术人才的需求，中国化工学会、中国化工教育协会组织开展全国大学生化工设计竞赛[1]。化工设计竞赛综合考查了学生对化学化工知识的综合应用能力，其中化工分离的专业知识的应用也是举足轻重，因此基于化工设计竞赛的知识、能力要求，开展以化工设计竞赛应用的《化工分离工程》课程教学改革探索是一项具有意义的教学工作[2]。

1 基于能力培养的《化工分离工程》教学目标

《化工分离工程》是化工专业的一门专业必修课，本课程主要任务是运用化工单元操作的基本知识，相平衡理论，以及动量、热量和质量传递原理来研究化工生产实际中复杂物系的分离和提纯技术，并运用《化工分离工程》的知识分析和解决在化工生产、设计和科研中常用的分离过程理论和实际问题，研究分离方法和分离顺序的选择、分离设备的处理能力和能量效率、分离过程的节能技术等。通过学习，培养学生理论联系实际，工程与工艺结合，选择合适分离方法，进行分离过程特性分析，提高学生在解决操作和设计方面实际问题的能力[3]。

通过教学过程的实施，使学生能够针对待分离混合物的具体特性，选择合适的分离方法，确定分离设备和操作条件，进行分离设备和过程的设计优化；能够运用数学、物理、物理化学和化工原理知识，分析与表达过程工业中分离技术的工程问题，建立平衡级分离和速率分离过程的数学模型，并能够正确求解；能运用工程思维方法，判断分离过程的设备条件和操作变量对分离成本和效率的影响，提出优化的分离问题解决方案；了解分离工程学科的前沿领域，认识到分离技术在解决人类面临的资源、环境问题和推动高新技术发展，实现人类文明的绿色、可持续发展中的应用潜力；了解分离工程学科中新分离单元、新介质和新设备的发展以及研究手段和解决问题方法的演变，能够运用模拟软件对分离过程进行预测。

以上的教学目标要求学生不仅掌握相关的理论知识，还要运用知识解决实际问题，重点是利用理论知识来分析问题和解决问题。因此，《化工分离工程》的教学过程要进一步结合工程实际，这就需要能够找到一种实践教学的载体，让学生能够将理论进行实践[4]。为此，我们探索了以“化工设计竞赛”为载体的教学过程设计，以此加强学生对知识的理解和运用。

2 《化工分离工程》的教学实践分析

在以前的教学实践中，我们按照《分离工程》教材的章节内容进行讲解，从分离工程的发展和分类讲述其在化工生产过程中的重要地位，随后讲解多组分分离的基础、精馏、吸收、多组分分离严格计算、分离过程的效率与节能，最后介绍其它分离方法。虽然教学内容比较完成，但是学生的反馈表明(化工设计竞赛)，学生能够求解指定的分离问题，但并不会运用所学的知识去解决化工设计中遇到的分离问题。主要表现在不会选择适宜的分离方法，以及对分离过程缺少优化(分离顺序的优化和节能)。基于此，我们对原有的教学过程进行了调整，教学内容调整的前后对比如图1所示。一方面我们调整教学内容的顺序，另一方面我们将课程内容与化工设计相结合，培养学生分析问题和解决问题的能力。

图1 《化工分离工程》课程教学内容的顺序调整对比Fig.1 Comparison of teaching content sequence adjustment of Chemical Separation Engineering

2.1 教学内容的调整

从图1可以看出，在教学实践中“分离方法基本原理”章节的内容与之前教学内容“其它分离方法”相似。基于《化工分离工程》的课程最基础的教学目标——使学生掌握化工分离方法的选择。因此在讲解完第一章的分离过程的分类后，针对不同类型的分离过程在随后的第二章介绍典型的分离方法，包括介绍不同分离方法的分离原理、应用领域和应用现状。由于“分离方法基本原理”章节内容具有多而散的特点，每一种独立的分离方法都有其理论和实际应用，因此我们仅围绕不同分离方法的基本原理进行讲解，同时提高学生的课堂参与度，这一章节主要以翻转课堂的教学方式进行。

针对“多组分多级分离的严格计算”主要涉及内容为方法论，更多的是数学处理的方法，而且需要从平衡级理论模型着手，因此在教学实践中将其与安排在“精馏”章节之后，这样有利于学生对MESH模型方程组的理解。

2.2 化工设计竞赛与教学过程相结合的探索

化工设计在流程组织的反应途径确定后，就必须针对该反应途径产生的混合物选择分离技术和分离顺序对该混合物进行处理。

2.2.1 归纳分离方法

分离方法的选择通常遵循待分离体系的性质为出发点，并从技术性、经济型和工艺要求进行选择。在第一章中我们除了介绍能量分离剂优先于质量分离剂外，我们还将化工过程中涉及的全部分离方法进行了归纳。表1将典型的分离方法及其分离原理进行了归类，并在第二章“分离方法基本原理”中重点介绍传质分离过程的基本原理和应用，这样有利于学生掌握分离方法选择的原则，并针对不同分离体系选择适宜的分离方法。

表1 典型分离方法及其分离原理[5]Table 1 Typical separation methods and separation principles[5]

2.2.2 选择物性方法

针对不同的分离体系，物性方法的选择对分离计算的准确性起到关键性的作用。从以往学生参加“化工设计竞赛”的经验来看，物性方法选择也是学生认为较困难的工作。为此在《化工分离工程》的教学过程中，我们不再重复讲解《化工热力学》中的状态方程法和活度系数法的相关理论知识，而是针对多组分对应的平衡体系分类，参考《化工过程模拟实训——Aspen Plus教程》[6]中关于物性方法的选择进行讲解，帮助学生掌握物性方法的选择。例如从分离体系的极性、压力、电解质等方面选择物性方法，以及Aspen Plus软件中的物性方法对应于状态方程法、活度系数法分类。

2.2.3 分离顺序的确定

针对反应完毕后混合物的分离，除了选择分离技术手段外，还要同步考虑先分谁、后分谁的所谓分离顺序问题，分离序列的确定与优化决定了工艺设备的投资费用，这点和分离技术的选择一样重要。因此，在教学实践中将原先放在第六章的内容我们调整到了现在的第三章“多组分分离流程安排”。这一章介绍了分离顺序确定的基本原则，如根据待分离物系的性质，一般是容易分离的组分考虑先分离；相分离可以考虑优先分离；含量较多的组分考虑优先分离；有毒、有害、稳定性差的组分优先分离；价值较高的组分优先分离。重点讲解有序探试法在分离序列中的应用。

在教学过程中我们以第十四届全国大学生化工设计竞赛中，要求以碳五烷烃为原料制备非燃料用途的化工产品为例。因为碳五馏分来源有石油裂解制乙烯过程中副产的含有五个碳原子的烃类混合物，也有石油炼厂催化裂化装置的碳五馏分，虽然两者的组分存在较大差异，但均属于混合烃，在进行转化时是要先分离出C5组分。针对混合原料中含有丁烷、异戊烷、戊烷、环戊烷、环戊烯、新己烷等多组分时，需要通过多步精馏进行分离，各组分的质量分数和沸点如表2所示。按照顺序分离则首先需要利用C4组分，然后对C5组分进行进一步分离；将C5馏分中的异戊烷利用精馏进行分离；经过第三塔将戊烷分离，利用第四塔将环戊烷进行分离。但从各组分的沸点来分析，环戊烷的沸点比环戊烯高，而且与新己烷接近，难以实现常规精馏分离。

然而应用《化工分离工程》的知识来分析，显然以上的分离流程不是一种合理的流分离程。按照有序探试法的原则，需要采取等摩尔分离的规则，则应该首先用第一塔塔顶分离丁烷和异戊烷混合物，塔底分离出其它重组分；然后用第二塔塔顶分离出丁烷，塔底分离异戊烷；第三塔塔顶分理出正戊烷和环戊烯混合物，塔底得到其他重组分；第四塔塔顶分离出正戊烷，塔底得到环戊烯；第五塔塔顶分离环戊烷和新己烷混合物，塔底分离正己烷；最后分离最难分离的环戊烷和新己烷，采用DMF进行萃取精馏。

表2 C5组分及其沸点Table 2 Component and boiling point of C5

2.3 利用流程模拟软件辅助教学

对于常规精馏方法无法实现分离的混合物体系，需要采用特殊精馏的方法。例如采用萃取精馏时，需要学生掌握萃取剂的筛选方法、萃取精馏的流程设计以及萃取剂的添加量等。不同萃取剂的分离效果可以通过Aspen plus软件进行模拟分析，这样更加直观的展示了萃取精馏的分离特点，便于学生的理解。

另外，在《化工分离工程》的教学过程中针对多组分的精馏和吸收章节，主要讲述的求解多组分分离的方法，但是都对分离进行了适当的简化和假设，例如精馏部分依然假设恒摩尔流，各级相对挥发度取平均值等。即使在严格计算部分也对每一级做了假设，如每一级上的每一相流体都是完全混合的、离开各级达到相平衡等，这样才能进行理论计算。从书本知识来讲，很难讲简捷计算和严格计算的区别展示出来，但是通过过程模拟就能方便的将其差异性展现出来[7]。

在化工设计竞赛中针对某一特定的混合体系的精馏塔严格计算则很好的展示了简捷计算和严格计算的差别。如何在教学过程中使学生从知识的理解到实际应用，则需要通过实践。将化工设计竞赛与《化工分离过程》教学相结合则可以达到较好的教学目标。

3 《化工分离工程》的教学启发

3.1 明确《化工分离工程》课程的教学目标

《化工分离工程》作为一门应用型和实践性较强的课程，更多的面向化工生产实际，突出应用特点，所以在教学过程中应该明确课程的教学目标，注重方法论而非理论计算。在教学实践中要突出理论知识的应用，利用好“化工设计竞赛”的实践平台，将化工设计竞赛的具体任务与教学过程进行衔接，培养学生应用理论知识的能力。

3.2 优化《化工分离工程》课程的教学内容

根据多年的教学实践，发现当前的《化工分离工程》的教学内容还有待进一步完善，一方面表现在课程本身的教学内容的前后逻辑性方面，另一方面表现在教学内容的优化上面。《化工分离工程》的课程内容需要利用化工原理、化工热力学的专业基础课知识的支撑，同时也为化工设计、化工过程分析与合成等专业课服务，因此需要在内容上注意衔接。如图1的教学内容的调整从逻辑上更加有利于学生为化工设计服务。

3.3 多种教学方法的相结合

基于《化工分离工程》课程的上述特点，应用传统的教学模式进行教学确实是一种挑战，特别是针对当前短课时的教学安排而言更是如此。为此，开展多种教学方法相结合的教学实践显得尤为重要[8]。在多种分离方法介绍时，采用翻转课堂有利于学神主动参与学习过程；针对特殊精馏中的共沸剂、萃取剂选择，可以利用计算机软件将定性分析转化为可视化的定量分析，更有利培养学生解决问题的能力；同时，针对理论计算部分，可以利用线上资源(精品课程和慕课)进行补充。

3.4 利用化工过程模拟软件补充教学内容

基于《化工分离工程》课程的内容偏重理论分析，具有公式复杂、计算繁琐，工程性较强、学生难以掌握应用的特点，在教学过程中引进化工过程模拟软件来对教学内容进行补充，对《化工分离工程》课程涉及到的部分分离工艺进行模拟，对帮助学生理解分离工程的相关原理和基本理论，提高学生知识应用能力具有重要作用[9-10]。例如在多组分精馏的简捷计算讲解中，理论讲解顺序为利用芬斯克公式求解最小理论级数、利用安德伍德公司计算最小回流比以及操作回流比、利用吉利兰图得到理论级数、最后计算进料位置，虽然理论计算的逻辑性很强，但个参数对分离过程的影响并不是很直观。如果我们通过Aspen plus软件中的DSTWU模块进行对比分析时就能方便的将不同操作参数进行调节，从而很清晰的得到影响分离效果的参数。而且还能呈现不同操作参数对分离过程的调节规律，并且能够快速实现多参数的优化，这为学生理解操作参数对精馏过程的影响提供直观的认识。因此，在《分离工程》的教学过程中利用Aspen plus软件辅助教学能够将定性的理论分析进行定量的验算，直观展示分离工程中复杂问题的求解方法，更加有助于学生分析和解决实际工程问题。利用化工过程模拟软件进行教学，将为学生在化工设计竞赛中奠定良好的实践基础。

4 结 语

化工分离是化工过程的重要组成部分，在化工生产过程中占有绝对的比重，通过化工设计竞赛来加强学生对《化工分离工程》课程的实践，培养知识运用能力具有十分重要的意义。结合化工设计竞赛对学生综合能力的要求，在《化工分离工程》课程教学中加强教学目标的明确、教学内容的优化以及教学方法的改革，对提高教学质量、培养学生分析和解决复杂工程问题的能力具有重要意义。