理科化學和應用化學專業化工過程模擬課程淺談

【摘要】目前全國高校較多設置了化學和應用化學專業，理科化學系學生的理科課程框架較為豐富，但是其工科課程設置較少，化學系類學生的工科素養要遠低于化學工程專業的工科學生。這極大的限制了理科化學系類學生的就業和進一步深造方向。針對此問題，本文將淺談理科化學和應用化學專業本科生的化工過程模擬上機課程，讓學生在有限的教學課程中，學習化工過程三傳一反的核心理論，獲得化工過程的知識，提高工科素養。

【關鍵詞】化學 應用化學 化工過程

【課題項目】本文系2018年江蘇科技大學研究生教育教學改革研究與實踐課題研究成果。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）49-0149-02

目前全國較多的理科化學系或應用化學系的教學和實驗課設置是以理科課程為主，工科類課程為輔。從課程框架上看，理科化學和應用化學專業主要以四大化學為主，工科類的主干課程只有少學時的化工原理。國內大多理科化學類的專業缺少工科類的課程如傳遞過程、化學工藝和反應工程等。基于如上學科設置，化學系本科生的理科素質較高，但對于工科類的知識掌握不夠。因此，如何在有限的教學課程中，添加工科素質培養的環節，讓學生在有限的學習時間內獲得更多的化工工程知識，并提高化學理科本科生的工科素養，是理科化學和應用化學專業老師在教學環節需要面對和解決的問題[1]。

針對此問題，一些高校增加了工科課程的課時，但是教學的深度難以把握，理科本科生對工科課程如化學工藝學、傳遞過程和反應工程等的興趣不足，而這些課是化學工程類專業的主干課。化工過程分類較多，理科化學專業本科生對化工工業過程了解較少，較復雜的化工過程以及單元操作不適合理科學生，因此尋找一些既讓學生能很快深入又能激發學生研究興趣的化工過程是本文討論的一個重點。可以將工科課程《化工原理》內涉及到的單元操作進行延伸，將實際的化工過程和《化工原理》課程內涉及到的單元操作過程進行對比研究，從化工過程的三大原理（質量傳遞、動量傳遞和熱量傳遞）出發，從揭示三大原理的角度來選擇經典的化工過程作為上機模擬的案例。

目前化工過程計算機模擬軟件較多，包含有限體積分析軟件如Fluent，化工流程模擬軟件如Aspen Plus，離散化化工過程軟件Star CD等[2]。這些軟件專業性較強，需要大量的數學背景知識才能靈活運用。但是，理科化學專業的本科生無需靈活掌握具體某個軟件的使用，只需在簡單的講解和理解后能使用該化工軟件對熟知的化工過程進行模擬。因此，需要對化工軟件進行有目的性選擇，以經典化工過程為導向，針對選擇的化工過程選擇合適的模擬軟件，以體現該軟件在模擬該化工過程的優勢。COMSOL Multiphysics是一款有限元分析處理軟件，以有限元法為基礎，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實現對三傳一反的模擬計算。COMSOL的化學反應工程模塊簡化了化學反應器、過濾設備、混合器及其他化工過程的優化步驟。因此可以采用該有限元分析軟件作為教學和上機的化工過程模擬軟件。

化工過程大多包括多個傳遞過程，如同時出現質量和動量傳遞。針對化工過程的“三傳一反”（質量傳遞、動量傳遞、熱量傳遞和反應工程），逐一簡化貫穿這些基本原理的化工過程，以突出基本原理的應用，使得學生的學習重點更加鮮明。對于質量傳遞，可以選擇膜分離過程模擬，烴鹵化反應器過程模擬，吸收塔過程操作模擬，精餾塔過程操作模擬等。對于動量傳遞，可以選擇電極流道流體動力學模擬，多孔介質中流體力學模擬。對于熱量傳遞，可以選擇反應釜傳熱過程模擬，精餾塔傳熱過程模擬。對于反應工程，可以選擇烴鹵化反應器過程模擬，電解水過程模擬。因此理科化學和應用化學系本科生設計化工過程模擬的上機課程可以包括：①烴鹵化反應器過程模擬；②反應釜傳熱過程模擬；③電極流道流體動力學模擬；④膜分離過程模擬；⑤吸收塔過程操作模擬；⑥精餾塔過程操作模擬；⑦多孔介質中流體力學模擬。這些過程的上機模擬操作和化工原理課程中的單元操作一一對應，是化工原理課程的延伸。學生可以自由改變各個操作參數，在計算機上實現動態實時的模擬操作。另外需要對化工過程模擬上機的內容安排和框架體系進行優化設計，在講授一部分淺顯的數值分析的基礎上講授過程模擬專業知識，然后再將上述淺顯易懂的化工過程模擬知識傳授給學生，讓學生在較短的時間內對化工過程和過程模擬有較深入的理解。

參考文獻：

[1]陸君等，案例互動教學在化工原理課程中的應用，科學時代，2012（4）：100-101

[2]肖國民等，通用化工模擬軟件在《化工傳遞過程原理》教學中的應用，化工時刊，2012（10）：53-59