過控專業“過程原理與設備”教學內容設計

摘要：“過程原理與設備”課程是過程裝備與控制工程專業基礎課程之一。此課程研究的是化工單元操作的基本原理，典型化工單元設備的原理、結構、選型及工藝尺寸的計算。針對上海理工大學教學和研究的特色，對教學內容的設計進行了探討，授課內容以傳質為主，傳熱、傳動量為輔，使學生從工程角度出發，在理論和實踐上掌握單元操作的原理，設備的結構、選型及相應的單元操作的設計型、操作型的計算。

關鍵詞：過程裝備控制工程；過程原理與設備；教學內容

作者簡介：蘇文獻（1967-），男，山東棲霞人，上海理工大學能源與動力工程學院，副教授；孫麗（1982-），女，山東海陽人，上海理工大學能源與動力工程學院，講師。（上海 200093）

基金項目：本文系上海市教委重點課程建設項目（項目編號：1K12301002）、上海理工大學核心課程建設項目（項目編號：5811301003）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）25-0120-02

過程裝備與控制工程專業的前身是化工設備與機械專業（簡稱“化機”），1998年根據發展需要，教育部對普通高等學校大學本科專業目錄進行了調整，將化工設備與機械（本科）專業更名為過程裝備與控制工程專業。該專業主要研究石油、化工、煉油、輕工、核能與電力、冶金、環境、食品及制藥等過程工業中處理流體和類流體必需的裝備、技術與控制等。屬于融機械、化工和控制等多工程學科領域于一體的復合交叉型學科。

過程裝備與控制工程本科專業相對應的研究生教育的學科名稱為化工過程機械，屬于動力工程及工程熱物理一級學科下的二級學科。

動力工程及工程熱物理學科主要研究能量以熱和功及其他相關的形式在轉化、傳遞過程中的基本規律，以及按此規律有效地實現這些過程的裝備及系統所涉及的應用科學及應用基礎科學；主要應用于工農業、國防領域，與人類生活、生產密切相關；同時又幾乎與所有的科學技術領域密切有關，可以推動人類更好地利用能源與現代動力技術的發展。

上海理工大學（以下簡稱“我校”）過程裝備與控制工程專業依托于我校動力工程與工程熱物理一級學科，該學科具有博士后流動站，并在1997年第一批被批準為我國具有一級學科博士學位授予權單位；所屬二級學科化工機械方向在70年代就已具有培養碩士和博士的能力。

在這樣的背景下，我校能源與動力工程學院不斷修改和豐富本科生培養計劃和培養方案，開設了“過程原理與設備”課程，作為過程裝備與控制工程專業的專業基礎課程。經過多年的教學改革和不斷探索，在教學方法、授課內容設計和提高學生創新能力方面取得了一定成果。

一、專業概況和課程定位

化工設備與機械專業更名為“過程裝備與控制工程”專業后，其內涵和外延都有了根本變化。更名后的專業，從單純的機械學科轉向機械與控制交叉學科。雖然它自己仍然屬于機械大學科，但它和通用機械有區別，與原來的行業范圍局限于化工不同，新行業可以廣泛服務于機械、電子、化工等相關過程工業；同時，新行業的發展也和機械電子、控制工程、化工機械、動力機械等密切相關。過程工業，通常來說，是利用化學和物理方法改變物料物化性能，用以生產新產品的加工工業，廣泛應用于工農業等眾多相關行業部門。過程裝備與控制工程專業主要涉及的對象是與流程有關的物料，從原材料到成品或者半成品過程中需要經過一系列化學或者物理變化。因此，整個過程需要有數量不同、功能各異的單元操作并聯或者串聯組成，而每一個單元操作均需要一個能夠實現特定功能的設備或者機器來完成。每個單元操作對應的設備稱為單元設備，而這些單元設備需要用一系列的部件如閥門、管道、三通等連在一起構成過程裝備。在過程工業中，通常需要確保各個單元設備以及整個裝備能夠安全穩定地運行，因此需要對各個流程中的物料的各種相關參數進行嚴格控制，如壓力、速率、溫度、濃度等。

過程裝備與控制工程專業是以過程裝備的設計、制造、運行、維護、管理為主體，過程工業原理與裝備控制技術應用為兩翼的多學科交叉型專業。通過系統學習，學生將具有較強的機械基礎、過程裝備、力學基礎、控制工程、計算機應用等基礎理論知識，具有較好的工程技術基本素質和綜合解決工程問題的能力。其培養目標是具備過程裝備設計制造及其控制理論，并具備研究開發、設計制造、運行控制、維護管理等綜合能力的高級科學研究和技術人才。

我校以科研教學型為辦學定位。“過程原理與設備”課程是過程裝備與控制工程專業技術基礎課程之一，是過程裝備與控制工程專業的核心課程，也是上海市教委重點建設課程。該課程既講原理又講設備，涉及知識全面；由理論到應用，教學邏輯明確。對激發學生的創新思維，提高學生的應用能力有很大幫助。同時作為專業基礎課程，其教學質量的好壞也直接影響其他專業課程的教學工作。因此，做好“過程原理與設備”課程建設對提高本科教學質量，促進學生全面發展具有一定積極作用。

二、授課內容設計

過程工業，一般來說，都與熱量傳遞、能量傳遞及質量傳遞有關。過程工業中涉及的所有的機器（動設備）和（靜）設備，均屬于過程裝備。過程裝備可以分為以下幾大類：

1.流體動力過程及設備

滿足流體力學等相關規律的過程及設備。如液體的輸送與氣體的增壓，氣液非均相混合物的分離、液體的攪拌等。所用的設備有泵、鼓風機、離心機、壓氣機、管道、沉降室等。

2.傳熱過程及設備

滿足熱量傳遞等相關規律的過程及設備。如冷卻、蒸發等。所用的設備有冷凝器、蒸發器、鍋爐等。

3.傳質過程及設備

滿足質量傳遞等相關規律的過程及設備。如干燥、分餾、吸附、吸收、結晶等。所用的設備有：干燥器、萃取塔、結晶器等。

4.機械過程及設備

滿足固體力學等相關規律的過程及設備。如固體的粉碎、篩分、輸送、給料等。常見的設備有粉碎機、振動篩、輸送設備、給料器等。

5.化學過程及設備

滿足化學反應等相關規律的過程及設備。如還原、氧化、加氫、水解、加聚等。常見的設備有攪拌反應器、固定床反應器以及流化床反應器等。

“工程熱力學”、“工程流體力學”、“傳熱學”為我校過程裝備與控制工程專業在能源與動力工程學院的三大基礎課程。“過程原理與設備”是過程裝備與控制工程專業的主修課程，其授課內容大體與化工原理相近。由于傳熱、傳動量兩部分內容已由其他老師在“傳熱學”、“過程流體機械”中主講，故在本課程中授課內容以傳質為主，傳熱、傳動量為輔。課程講述質量傳遞原理、換熱、蒸發傳熱單元操作及吸收、精餾、萃取、吸附、結晶、膜分離等傳質單元操作；熱量、質量同時傳遞過程的特點及增減濕和干燥操作。具體內容包括：

分離過程與傳遞現象，介紹混合物組成，基本操作方法和常用設備，傳質分離的動力學方程；吸收基本原理，氣液相平衡、傳質機理與傳質速率、低濃度氣體的吸收與計算，高濃度氣體吸收、多組分吸收、化學吸收和解吸，吸收塔的結構和設計；蒸餾基本原理，雙組分溶液的氣液相平衡、簡單蒸餾、平衡蒸餾和精餾及其雙組分連續精餾的計算和分析，間歇精餾和特殊精餾、多組分精餾，蒸餾塔的結構和設計；氣液傳質設備的工藝設計；液液平衡關系、部分互溶物系的萃取計算、完全不互溶物系的萃取計算及溶劑的選擇，其他萃取方法及萃取設備；濕空氣的性質及濕度圖、干燥過程的物料衡算和熱量衡算、干燥速率和干燥時間，干燥器的類型、性能、結構；蒸發原理、設備及計算熱量傳遞基礎，單效蒸發和真空蒸發的概念和計算，單效蒸發和提高加熱蒸汽經濟性的其他措施及其蒸發設備；顆粒與顆粒層的特性、流體與顆粒間的相對運動及其流體通過顆粒床層的流動、重力沉降和過濾計算，了解氣體凈化的其他廣泛應用和設備；膜分離傳質單元操作的基本原理。

目前我校過程裝備與控制工程專業所用教材是陳敏恒等編著的《化工原理》（上、下）第三版（化學工業出版社）。所用參考教材有：蔣維鈞等編著的《化工原理》（上、下）（清華大學出版社），何洪潮等編著的《化工原理》（科學出版社），張斌編著的《過程原理與設備》（東北大學出版社）等。

在多年的教學過程中，我校能源與動力工程學院不斷探索教學內容和方法。在總學時數受限定的情況下，結合實際情況，合理設置教學內容，既壓縮了課時，又避免了該課程與學院基礎課程內容上的重復；在與其他課程的配置上，將該課程與“專業實驗”課程的進度合理搭配，用實驗設備模擬真實設備，邊學邊練，激發學生學習興趣，增強學生動手實踐能力；在改革教學內容和方法的同時，還注意將現代化教學手段引入課堂，利用計算機教學軟件進行輔助教學，取得了良好的教學效果。

三、結論

“過程原理與設備”課程是過程裝備與控制工程專業重要的專業基礎課程之一，其內容涵蓋廣、實踐應用性強。經過多年的教學改革和探索，我校走出了一條內容設計合理、教學方法多樣、注重實踐和創新的特色之路。過程裝備與控制工程專業學生連續多年的高就業率和來自企業的積極反饋，體現了我校“過程原理與設備”教學的良好效果。

參考文獻：

[1]陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理（上、下）[M].第三版.北京：化學工業出版社，2012.

[2]蔣維鈞，戴猷元，顧惠君.化工原理（上、下）[M].第三版.北京：清華大學出版社，2009.

[3]馮宵，何洪潮.化工原理（上、下）[M].第二版.北京：科學出版社，2007.

[4]張斌.過程原理與設備[M].沈陽：東北大學出版社，2010.

（責任編輯：王意琴）