設(shè)計典型例題培養(yǎng)綜合能力

[摘 要]化工原理是化工及其相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。結(jié)合多年的教學(xué)實踐，探討怎樣從典型例題的設(shè)計和選擇著手，深化化工原理的教學(xué)改革，提高化工原理課程的教學(xué)質(zhì)量，完善學(xué)生的工程意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和綜合能力。

[關(guān)鍵詞]化工原理；教學(xué)方法；典型例題；綜合能力

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）12-0073-03

化工原理是化工類及其相關(guān)專業(yè)中一門實踐性和工程性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)目的是使學(xué)生了解常用化工設(shè)備的形式及其操作，樹立正確的工程觀念，熟悉一般的工程方法，掌握化工生產(chǎn)過程中各種單元操作的基本原理和工藝計算[1][2]。其內(nèi)容涉及多門學(xué)科，不僅內(nèi)容龐雜，而且交叉性強(qiáng)，理論和工程應(yīng)用面廣[3]，學(xué)生難以學(xué)懂學(xué)透[4][5][6]。在實際教學(xué)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)“教師已經(jīng)講了多遍，題目也已練了多道，學(xué)生仍然不能獨立解決問題”的局面。習(xí)題教學(xué)，是化工原理教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，它對于學(xué)生透徹理解和掌握所學(xué)知識，提高分析解決問題的能力起到很大的促進(jìn)作用。多年來的教學(xué)實踐證明，設(shè)計和選擇恰當(dāng)?shù)牡湫屠}，進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐貙捑毩?xí)，可達(dá)到事半功倍的效果。

一、設(shè)計和選擇典型例題的原則

通過典型例題的教學(xué)，可以深化學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識和掌握，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力。教師在設(shè)計和選擇典型例題過程中應(yīng)注意以下幾個原則。

（一） 思想性、啟發(fā)性原則

通過典型例題講解訓(xùn)練，加深學(xué)生對基本教學(xué)內(nèi)容的理解，啟發(fā)學(xué)生尋找所學(xué)知識應(yīng)用的結(jié)合點，幫助學(xué)生掌握各種基本概念和工程觀念，使解題過程成為學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間進(jìn)行理論聯(lián)系實際的一個重要途徑。

（二）代表性、開放性原則

教師在設(shè)計和選擇例題時，應(yīng)多注意在作業(yè)批改、習(xí)題課及試卷批改等教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的學(xué)生掌握比較薄弱的或易出錯的知識點，并進(jìn)行概括總結(jié)，做到有的放矢，這有利于學(xué)生加深對基本概念的理解、重點知識的掌握。此外，設(shè)計和選擇的例題必須具有較強(qiáng)的吸引力，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，盡可能是一題多解，給學(xué)生以自由發(fā)揮的空間，不僅要學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題，而且能激發(fā)其興趣愛好，培養(yǎng)自信心，增強(qiáng)成就感。

（三）實用性、工程性原則

例題是引領(lǐng)學(xué)生重視知識應(yīng)用的重要途徑，通過例題進(jìn)一步討論所涉及的工程問題，完善對工程意識的建立，鞏固工程觀念，透過問題看本質(zhì)，做到舉一反三。

（四）科學(xué)性、前沿性原則

設(shè)計和選擇例題時，應(yīng)將當(dāng)前學(xué)科最新研究的成果和動態(tài)融入其中，把新知識、新技術(shù)及時納入教學(xué)內(nèi)容之中，實現(xiàn)培養(yǎng)知識新、適應(yīng)能力強(qiáng)的人才要求。

二、典型例題分析

精餾是分離液體混合物最常用的單元操作，該章的特點是基本概念多，如精餾的原理、氣液相平衡關(guān)系、相對揮發(fā)度、理論塔板、回流比、靈敏板、恒摩爾流假定等；計算所用公式也比較多，如氣液平衡方程、q線方程、精餾段操作線方程、提餾段操作線方程等。該章的重點是精餾原理、精餾塔的設(shè)計型計算，難點是精餾塔的操作型計算。解決問題的工程方法是物料衡算和熱量衡算。在該章的復(fù)習(xí)總結(jié)課上，筆者設(shè)計選擇了下面這道例題，該例題幾乎包含了精餾章節(jié)的全部知識點。

由A、B組成的二元理想混合溶液，在絕對壓強(qiáng)為1.013×105 Pa的連續(xù)精餾塔內(nèi)進(jìn)行分離。已知進(jìn)料的摩爾流量F為100kmol/h，其中輕組分A的摩爾分?jǐn)?shù)xF為0.4。要求塔頂餾出液中輕組分A的摩爾分?jǐn)?shù)xD為0.9，且其回收率不低于0.9。采用泡點進(jìn)料，泡點回流，塔頂是全凝器，回流比為最小回流比的1.5倍，塔釜用間接蒸汽加熱。某溫度下輕組分A、重組分B的飽和蒸氣壓分別為7.98×104 Pa、3.19×104Pa。試分析或計算：（1）塔頂產(chǎn)品流量D、塔頂產(chǎn)品產(chǎn)出率；塔底產(chǎn)品中重組分B的回收率、塔底產(chǎn)品流量W及其組成xW；（2）相對揮發(fā)度α及最小回流比Rmin；（3）精餾段和提餾段操作線方程；（4）精餾段及提餾段氣、液兩相的摩爾流量；（5）理論塔板數(shù)及加料板的位置；（6）如果其他條件保持不變，只是將（5）中的加料板位置向下移一塊，則理論塔板數(shù)如何變化；（7）從塔底數(shù)起第二塊理論板上（塔釜可視為一塊理論板）流下的液體組成；（8）如果進(jìn)料的熱狀態(tài)q值減小，其他條件保持不變，則理論塔板數(shù)如何變化；（9）如果進(jìn)料中輕組分A的濃度減小，其他條件（包括理論塔板數(shù)）保持不變，則塔頂產(chǎn)品濃度、塔底產(chǎn)品濃度如何變化？

（一）應(yīng)用例題，幫助學(xué)生加深對基本概念的理解

概念是理論和方法的基礎(chǔ)，只有準(zhǔn)確地把握概念的內(nèi)涵，才能掌握概念的本質(zhì)屬性。因此，在教學(xué)中只要求學(xué)生死記硬背概念是不行的，必須注重理解其實質(zhì)。

精餾分離的依據(jù)是各組分揮發(fā)性的不同。因此，相對揮發(fā)度α是精餾最重要的基本概念。根據(jù)相對揮發(fā)度的定義，是兩種組分揮發(fā)性之比，而揮發(fā)性是組分氣相中分壓與液相中摩爾分率之比，因此相對揮發(fā)度α通?？筛鶕?jù)（1）計算：

D/F不變，當(dāng)xF減小時，根據(jù)（9）式不難看出，會出現(xiàn)三種可能的情況。第一種xD變大、xW變??；第二種xD減小、xW增大；第三種xD、xW都下降。那么哪種是正確的呢？由于是泡點進(jìn)料，因此，新、舊條件下精餾段操作線的斜率不變，即相互平行。應(yīng)用圖解法，把3種條件下新、舊的操作線畫出來，從中可清楚地發(fā)現(xiàn)，對于第一種，理論板數(shù)NT變多，而第二種，理論板數(shù)NT變少，只有第三種，理論板數(shù)NT不變?？梢?，第一、第二兩種結(jié)果是不可能的，第三種是正確的，即進(jìn)料組成xF降低，塔頂產(chǎn)品濃度xD、塔底產(chǎn)品濃度xW都下降。

（三）應(yīng)用例題，幫助學(xué)生掌握重點和難點

精餾的操作和調(diào)節(jié)是精餾教學(xué)的難點，它是在精餾塔理論板數(shù)不變的條件下，依據(jù)一定的操作條件來預(yù)測精餾的結(jié)果；或者為了實現(xiàn)一定的精餾結(jié)果確定必需的操作條件。在實際化工生產(chǎn)中，當(dāng)操作條件變化時預(yù)測產(chǎn)品質(zhì)量如何變化；為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，可以采取哪些措施等。

對于例題中的第8問，首先要掌握進(jìn)料的熱狀態(tài)q的定義及物理意義。顯然，根據(jù)q值的大小，進(jìn)料的熱狀態(tài)有5種：1.冷液體進(jìn)料；2.飽和液體進(jìn)料；3.氣液混合物進(jìn)料；4.飽和蒸汽進(jìn)料；5.過熱蒸汽進(jìn)料。如果其他條件保持不變，當(dāng)進(jìn)料熱狀態(tài)q值減小時，則精餾段操作線不發(fā)生變化，而提餾段操作線越遠(yuǎn)離對角線，即越靠近平衡線，提餾段操作線與平衡線之間的距離越近，理論塔板數(shù)越多。

這似乎與我們已有的認(rèn)識和經(jīng)驗是相反的。那么，為什么會產(chǎn)生這種“反常”的現(xiàn)象呢？精餾的核心是回流，精餾的實質(zhì)是塔底供熱產(chǎn)生蒸汽回流，塔頂冷凝使部分液體回流。根據(jù)全塔熱量衡算可知，塔頂冷凝量、進(jìn)料帶入熱量與塔底加熱量之間是相互制約的。而以上進(jìn)料熱狀態(tài)q值減小是以固定回流比R為基準(zhǔn)，也即以固定塔頂冷凝量為基準(zhǔn)。這樣，進(jìn)料帶入熱量越多，即q值減小，塔底供熱量必然越少，這意味著塔釜上升蒸汽的摩爾流量V 減小，使提餾段操作線斜率L/V增大，提餾段操作線向平衡線靠近，所需理論板數(shù)增加。

如果塔釜供熱量不變，進(jìn)料帶入熱量增加，精餾段上升蒸汽的摩爾流量V變大，塔頂冷凝量必定增大，回流比R相應(yīng)變大，精餾段操作線斜率L/V將之增大，該線越靠近對角線而遠(yuǎn)離平衡線，所需的理論板數(shù)就減少。顯然，這是以增加熱耗作為代價的。

根據(jù)作圖法求精餾塔理論板數(shù)可知，當(dāng)進(jìn)料選擇在精餾段操作線與提餾段操作線交點的那塊板時，所需的塔理論板數(shù)最少，該板即為最適宜的加料板。對于例題中的第6問，如果將加料板位置向下移一塊，即推遲進(jìn)料，那么，畫的階梯在已越過精餾段操作線與提餾段操作線的交點后，仍然在精餾段操作線和平衡線之間畫，由于兩操作線交點以后，精餾段操作線與平衡線之間的距離更加接近，因此理論板數(shù)增多。

（四）應(yīng)用例題，對學(xué)生綜合能力進(jìn)行培養(yǎng)

在化工原理的教學(xué)過程中，對于一些典型例題，可以進(jìn)行一題多解，以便學(xué)生熟練掌握所學(xué)知識。

然后對兩種解法進(jìn)行比較總結(jié)，這對于提高學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力是大有裨益的。

（五）應(yīng)用例題，對學(xué)生的創(chuàng)造性思維進(jìn)行培養(yǎng)

在講授精餾時，一般只介紹塔頂產(chǎn)品中輕組分的回收率，計算每一塊塔板上氣、液兩相濃度時，一般也都是從塔頂數(shù)第幾塊。在例題中可反其道而行之，求塔底產(chǎn)品中重組分B回收率，求從塔底數(shù)第二塊上氣、液兩相的濃度。這樣，通過舉一反三，步步深入，可使學(xué)生對所學(xué)知識融會貫通。

對于第1問中求塔底產(chǎn)品中重組分B的回收率，由于塔底產(chǎn)品中輕組分A的濃度為xW，故重組分B的濃度為1-xW。同樣，由于進(jìn)料中輕組分A的濃度為xF，故重組分B的濃度為1-xF。塔底產(chǎn)品中重組分B的回收率為：

三、結(jié)語

典型例題是提高學(xué)生各種能力的一種十分有效的教學(xué)形式，對化工原理教學(xué)起著至關(guān)重要的作用。教師在教學(xué)過程中要精心設(shè)計和選擇典型例題，不斷提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，確保教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)步提高，實現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[2] 夏清，陳長貴.化工原理（修訂版）[M].天津：天津大學(xué)出版社，2010：1-8.

[3] 秦正龍，黃芳敏.基于生活案例的化工原理課堂教學(xué)[J].高教論壇，2017（5）：18-19.

[4] 李晉.化工原理中類比法的研究與應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2012（7）：248-249.

[5] 楊楚芬，郭建維，魏關(guān)鋒.提高化工原理教學(xué)效果方法淺談[J].廣州化工，2012（9）：233-234.

[6] 鄭冀魯，武海棠，張軍華，等.提高學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理課程積極性的一些探索[J].化工高等教育，2013（6）：99-101.

[責(zé)任編輯：陳 明]