設(shè)計(jì)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(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，探討怎樣從典型例題的設(shè)計(jì)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(shí)，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(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 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(mén)實(shí)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(shù)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(guò)程中各種單元操作的基本原理和工藝計(jì)算[1][2]。其內(nèi)容涉及多門(mén)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(shí)際教學(xué)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)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(dú)立解決問(wèn)題”的局面。習(xí)題教學(xué)，是化工原理教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，它對(duì)于學(xué)生透徹理解和掌握所學(xué)知識(shí)，提高分析解決問(wèn)題的能力起到很大的促進(jìn)作用。多年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)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(jì)和選擇典型例題的原則

通過(guò)典型例題的教學(xué)，可以深化學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和掌握，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。教師在設(shè)計(jì)和選擇典型例題過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)原則。

（一） 思想性、啟發(fā)性原則

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

（二）代表性、開(kāi)放性原則

教師在設(shè)計(jì)和選擇例題時(shí)，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(guò)程中發(fā)現(xiàn)的學(xué)生掌握比較薄弱的或易出錯(cuò)的知識(shí)點(diǎn)，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(duì)基本概念的理解、重點(diǎn)知識(shí)的掌握。此外，設(shè)計(jì)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(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，而且能激發(fā)其興趣愛(ài)好，培養(yǎng)自信心，增強(qiáng)成就感。

（三）實(shí)用性、工程性原則

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

（四）科學(xué)性、前沿性原則

設(shè)計(jì)和選擇例題時(shí)，應(yīng)將當(dāng)前學(xué)科最新研究的成果和動(dòng)態(tài)融入其中，把新知識(shí)、新技術(shù)及時(shí)納入教學(xué)內(nèi)容之中，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)知識(shí)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(diǎn)是基本概念多，如精餾的原理、氣液相平衡關(guān)系、相對(duì)揮發(fā)度、理論塔板、回流比、靈敏板、恒摩爾流假定等；計(jì)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(diǎn)是精餾原理、精餾塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算，難點(diǎn)是精餾塔的操作型計(jì)算。解決問(wèn)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(jì)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(shí)點(diǎn)。

由A、B組成的二元理想混合溶液，在絕對(duì)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(diǎn)進(jìn)料，泡點(diǎn)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(jì)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)揮發(fā)度α是精餾最重要的基本概念。根據(jù)相對(duì)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(duì)揮發(fā)度α通常可根據(jù)（1）計(jì)算：

D/F不變，當(dāng)xF減小時(shí)，根據(jù)（9）式不難看出，會(huì)出現(xiàn)三種可能的情況。第一種xD變大、xW變小；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(diǎn)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(huà)出來(lái)，從中可清楚地發(fā)現(xiàn)，對(duì)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。可見(jiàn)，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(diǎn)和難點(diǎn)

精餾的操作和調(diào)節(jié)是精餾教學(xué)的難點(diǎn)，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(lái)預(yù)測(cè)精餾的結(jié)果；或者為了實(shí)現(xiàn)一定的精餾結(jié)果確定必需的操作條件。在實(shí)際化工生產(chǎn)中，當(dāng)操作條件變化時(shí)預(yù)測(cè)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(duì)于例題中的第8問(wèn)，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(guò)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(shí)，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(duì)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)是相反的。那么，為什么會(huì)產(chǎn)生這種“反常”的現(xiàn)象呢？精餾的核心是回流，精餾的實(shí)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(duì)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(jià)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(diǎn)的那塊板時(shí)，所需的塔理論板數(shù)最少，該板即為最適宜的加料板。對(duì)于例題中的第6問(wèn)，如果將加料板位置向下移一塊，即推遲進(jìn)料，那么，畫(huà)的階梯在已越過(guò)精餾段操作線與提餾段操作線的交點(diǎn)后，仍然在精餾段操作線和平衡線之間畫(huà)，由于兩操作線交點(diǎn)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(duì)學(xué)生綜合能力進(jìn)行培養(yǎng)

在化工原理的教學(xué)過(guò)程中，對(duì)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(shí)。

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

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

在講授精餾時(shí)，一般只介紹塔頂產(chǎn)品中輕組分的回收率，計(jì)算每一塊塔板上氣、液兩相濃度時(shí)，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(guò)舉一反三，步步深入，可使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通。

對(duì)于第1問(wèn)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(yǔ)

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(duì)化工原理教學(xué)起著至關(guān)重要的作用。教師在教學(xué)過(guò)程中要精心設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 馮尚華，何國(guó)芳，趙仁高，等.化工原理的案例教學(xué)[J].化工高等教育，2010（6）：79-81.

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[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.

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[責(zé)任編輯：陳 明]