“分离工程”课程教学改革的探索与实践

胡大乔,宋林勇

（安徽大学 化学化工学院；绿色高分子材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230039）

“分离工程”课程教学改革的探索与实践

胡大乔,宋林勇

（安徽大学 化学化工学院；绿色高分子材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230039）

针对“分离工程”课程教学中存在的知识点多、实践环节少等问题，采取多种教学方法和教学手段，时刻从工程的角度分析解决问题，尝试将Aspen p l us语言应用于课程教学中，并创新性提出了一种"专业实验-生产实习-科学研究-课程设计"相结合的实践教学模式，在加强理论基础知识学习的同时，大大提高了学生们的工程意识和工程素养。

分离工程；改进；工程意识；教学模式

“分离工程”课程是高等学校化学工程及工艺专业（本科）的一门专业基础课，是研究化学工业和其他化学类型工业生产中混合物的分离与提纯的一门工程学科。分离工程课是以化工热力学、化工过程与设备、化工过程分析与合成、化学反应工程为先修课程。本课程内容包含了绝大多数传质分离单元操作，如：精馏、吸收、特殊精馏、吸附、结晶及膜分离等操作；介绍了传质分离过程中地简捷法计算和严格法计算：如多组分精馏的气液平和计算、液液平衡及多项平衡计算，并介绍了一些有重要应用前景的新型分离过程如超临界流体萃取、反胶团萃取等。通过本课程的学习，学生应掌握各种常用分离过程的基本理论，操作特点，简捷和严格的计算方法和强化改进操作的途径，对一些新分离技术有一定的了解[1]。课程一方面揭示了分离过程中所涉及到的基本原理特性，如相平衡常数概念、泡露点温度的计算、多组分精馏、特殊精馏、化学吸收等分离过程的流程分析及简捷法计算等；另一方面着重培养学生的工程素养，如化工工业上最佳分离手段的选择，设备设计的放大效应及最优操作条件等[2]。本论文围绕教学方法的改进、工程意识的强化两方面提出了几点体会，旨在培养既有理论又有实践的复合化工人才以满足社会的需要，同时更好地符合了教育部化工专业认证的课程建设要求。

1 “分离工程”课程教学中目前存在的问题

（1）课程知识点多，内容广泛，传统教学方法单调枯燥，部分章节难以理解。“分离工程”课程涉及到化工原理、化工热力学、化工设备及物理化学等基础知识，计算过程复杂且多采用计算机编程解决。教师如采用纯语言形式难以将化工流程及计算过程解析清楚，且同学们反映某些章节难以理解，学习兴趣不高。如在介绍多组分多级分离的严格法计算时，单纯利用手工计算完成章节教学内容，教学效果差，学生理解起来较为困难，且与实际应用脱节。我们通过教学方法的改进，并引入Aspen plus语言到课程教学中去，有效地解决了以上问题。

（2）理论教学多，实践环节少。“分离工程”课程旨在提高学生的工程意识和解决实际问题的能力，实际教学中，受教学学时或条件的限制，跟分离工程相关的实验只安排了汽液平衡数据的测定、膜分离等实验，实践环节较少。因此，如何将工程意识贯彻到课堂的教学中去，是提高课堂教学质量的关键。

2 “分离工程”课程教学方法的改进

2.1 丰富“绪论”部分内容，引人入胜，逐步推进

从“绪论”入手，结合日常工作、生活中碰到的分离案例，加以剖析，激发学生们地学习兴趣，并以此为据点，深入探讨，教学内容引入入胜、环环相扣。如第一章绪论部分中分离过程的重要性引出时，笔者指出分离操作与我们日常生活绪论作为“分离工程”的开场白，它的重要性是不言而喻的。如何让学生对“分离过程”产生浓厚的学习兴趣，老师设计安排好绪论部分的课堂内容显然是至关重要的。在绪论中，笔者在介绍学习分离过程的重要性时指出分离操作与我们日常生活、工作密不可分，强调分离操作在化工生产应用中的重要性，激发同学们学习的兴趣。分离操作历史悠久，古代的晒盐、冶金、香料提取、天然饮料和药物生产及果酒生产等都是最早的分离操作。工业上粗油的精制也是分离过程，通过常压分馏产生了石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油和重油。重油继续通过减压分馏得到凡士林、石蜡和沥青一系列产物。再比如，人体的肾脏就是一个完美的分离器。血液和废物从动脉进入肾脏，在肾脏内分离，分离后干净的血液从静脉流出，而废液从输尿管流出。由于学生们大多比较关心健康的问题，这里笔者给大家介绍了一个科普小常识：正常成年人的一天饮水量应该是2500~ 3000 mL左右，饮水量太少会影响毒素的排出，饮水过多同样会增加肾脏的负担，引起了大家的热烈讨论，大大激发同学们的学习兴趣。并以此为基础，进一步探讨，精馏过程、肾脏等是如何实现分离的？可以用来分离什么？分离时所需要的温度、压力等参数为多少？这种逐步推进的办法，引起了同学们地学习兴趣，并为后续章节的学习埋下了铺垫。

2.2 采用多媒体课件与板书相结合的教学方式

在课程的教学中，我们统筹安排，采取多媒体课件与板书合理结合的方法，以提高教学效率和课堂教学效果。如在介绍主要的膜分离过程[3]：微滤、超滤、纳滤、反渗透时，这四种膜分离过程都是以压差为推动力，区别在于所用膜的孔径大小不同，因此用来分离的对象也不同，所能承受的压力也不同。为了更好地比较这四种膜分离过程的异同点，加深同学们的理解，我们采用多媒体课件，引入flash动画，异同点一目了然；在进一步介绍反渗透机理时，我们也同样采用多媒体课件，利用图谱深入浅出地阐述了这个概念，如图1所示。而在介绍相平衡常数的计算、闪蒸方程及芬斯克方程式时，我们则采用板书的方式，引导同学们和教师一起一步步完成公式的推导，而不是死记硬背公式。

图1 渗透和反渗透现象

2.2 由传统的“填鸭式”教学转为“研讨式”教学

我们改变传统的教学模式，不再单一得由一系列现象归纳出对应的结论，而是引入"陷阱"式教学方法，先提出问题，引起同学的思考和讨论，从错误的结论中寻找出正确的答案，加深了学生对教学内容的理解和记忆。同时，为进一步提高学生的学习兴趣，我们在教学环节中引入“研讨论坛”。即将全班同学分组，组员有3-5人构成，每小组针对课程教学中地重点、难点或不懂的地方、或有质疑的地方展开讨论，并将小组讨论的问题、答案及支撑答案的依据制作成一组PPT，做课堂汇报。这种“研讨式”教学模式一来极大地调动了同学们的学习积极性，学生们普遍反映探讨过程中受益颇多；二来也便于教师及时掌握学生学习中的问题，在以后的教学中有所改进。学生研讨的课题节选列举如表1所示。

表1 课堂研讨主题统计表

2.3 尝试将Aspen plus语言应用到课程教学中去

Aspen plus是一个通用的过程流程模拟系统，用于计算多组分精馏、吸收等稳态过程的物料平衡、能量平衡、设备尺寸及进行经济评价，是迄今为止功能最强大、最可靠的过程模拟软件，并作为一种教学和科研的主要工具为高校广泛使用。Aspen plus在本课程的教学功能主要包括如下几个方面：（1）通过简便组合，绘制单元操作设备和过程流程图；（2）开展稳定的严格精馏模拟计算，可处理双液相精馏、反应精馏、萃取精馏、耦合精馏等。（3）完善的物性计算，包括相平衡、传递性质计算，可用于精馏等分离单元设备的设计；（4）准确庞大的纯组分、水溶液、固体及二元组分混合物数据库。

如Aspen plus中单元操作DSTWU可对单一进料两出料精馏塔进行简捷设计计算。给出平衡级数，可得到回流比；给出回流比，可得出理论板数。同时也可得到最佳进料位置和再沸器及冷凝器热负荷。利用DSTWU还可得到回流比与理论级数关系曲线及表格，用此单元操作得到严格计算初值。RADFRAC单元操作可用于严格多级气液分离，特别适用于三相、宽沸程和窄沸程以及液相强非理想性体系，可对以下操作进行严格模拟：吸收、再沸吸收、气提、再沸气提、萃取精馏和共沸精馏等。如介绍甲基叔丁基醚催化反应精馏时，我们采用软件教学，如图2所示，简化了计算过程，计算结果更为准确，课堂教学效果好。

图2 甲基叔丁基醚催化反应精馏模拟图[4]

3 理论联系实际，强化工程意识

3.1 将工程意识贯彻到每节课的教学中去

教育部2006年启动的化工专业认证标准里明确要求：要加强学生工程实践能力和创新 能力的培养，培养学生的工程实际能力和创新意识，提高学生的综合素质。分离工程是一个工程实践性很强的学科，工程意识的培养是个潜移默化的过程，教师授课过程中时刻注意从工程的观念来分析解决问题，有助于提高学生们地工程素养。课程教学中，不仅注重渗透工程意识、工程思维，讲授工程技术方法，而且在教学过程中将大量本专业所取得的工程类科研成果作为教学案例,将工程训练元素融入课堂，结合课程大作业、课程设计等多种形式，加强学生工程实践能力的训练。教学内容适时结合工业生产装置，运用工业生产中的分离装置，如介绍板式精馏塔、填料式精馏塔的选择，常压塔、加压塔、减压塔的选择，不同分离装置的耦合、反应装置与分离装置的耦合等，这种方法一方面拓展了同学们对于课本知识的学习，另外也强化了学生们工程思维能力的训练。再比如在介绍萃取精馏时，分离甲醇和丙酮的最低共沸物，可以选择甲醇的同系物乙二醇或乙醇作为萃取剂。那么工业选择时，会优先考虑哪种？为什么？这里主要考虑乙二醇沸点更高造成塔釜温度高，能耗更大，因此选择乙醇更复合成本经济的需求。再比如介绍膜分离时，除了介绍膜的基本传质机理外，更要引起同学们对于膜组件工业应用上存在问题的探讨。是选择管式还是板框式？膜组件如何清洗？膜寿命多长？通过这些问题的提出来强化工程教育在课程中的渗透。

3.2 引入 “专业实验-生产实习-科学研究-课程设计”相结合的实践教学模式

作为一门工程类学科，实践环节不仅必不可少且尤为重要[5]。我们初步探讨了一种“专业实验-生产实习-科学研究-课程设计”相结合的实践教学模式。通过专业实验的预习、动手操作及问题的解决来强化同学们对于课堂知识及概念的理解，并争取做到专业实验与课程同步，更好地起到相辅相成的作用；另外，我们组织同学们参与工厂实习，了解分离流程在工业操作中地实际应用及存在的问题，让同学们把课堂疑问带入工厂，再把工厂疑问带回课堂讨论。如我们组织同学们到安庆石化集团实习，组织石化集团的技术人员与学生们交流，学生们学习了原油分离的基本操作，对精馏塔、吸收塔等装置有了更直观的理解。此外，我们鼓励学生参与大学生创新实验，申报与分离技术相关的课题。通过一些简单创新实验的课题提出、文献调研及实验操作等环节，提高学生们的分析问题能力及动手解决问题的能力。最后，通过课程设计培养学生们对于所学知识总结、综合应用和提炼的能力。如课程设计以年产量3.0万吨二甲醚分离装置精馏工段的设计为依据，是一个多组分分离的综合设计，涉及到精馏塔的选择、塔顶冷凝装置采用全凝器还是分凝器，回流比如何控制，塔釜加热方法等条件的选择，并通过严格法计算得出理论板数，塔效率，实际板数，进料位置，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径，有效塔高，筛孔数。实践四环节相互促进，共同发展。

4 结语

本文通过多种教学方法和教学手段的改进如采取多媒体课件与板书相结合的教学方式及引入 “研讨式”教学理念，尝试将Aspen plus语言引入课堂教学，并辅以理论联系实际，强化工程意识的教学改革，提出了“专业实验-生产实习-科学研究-课程设计”相结合的实践教学模式，大大提高了学生的学习兴趣，有助于学生工程意识和工程素养的培养，为复合型化工人才的培养奠定了良好的基础，同时更好地符合了教育部化工专业认证的课程建设要求。

[1]刘家祺.分离过程[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]姜忠义.把握分离过程发展趋势 搞好分离过程课程教学[J].化学工业与工程，2005(22)：52-55.

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

[4]卢泽湘.Aspen Plus在《分离工程》教学中的应用[J].福建农林大学学报:哲学社会科学版，2010（13）：106-108.

[5]叶庆国.分离工程精品课程的建设与实践[J].化工高等教育，2011（3）：23-29.

[6]杨艳.谈“三结合”教学方法在生物分离工程课程教学过程中的探索与实践[J].化工高等教育，2012（2）：105-108.

[责任编辑：余义兵]

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1674-1104(2013)06-0138-03

2013-10-18

绿色高分子材料安徽省重点实验室开放课题基金资助（KF2012005），安徽大学2012年校级教学研究项目（JYXM201244）。作者简介:胡大乔（1982-），女，安徽桐城人，安徽大学化学化工学院讲师，博士，主要从事光电功能材料方向的研究及应用。