化工原理課程設計的專創融合教學改革與實踐

于 杰，呂 丹，趙培余，吳曉藝，李燕妮

(沈陽工業大學環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110870)

專創融合教學旨在培養具有創新精神、符合社會需求的高素質人才，在專業課程的教學過程需找到適合的切入點，并以此為基礎，在各個教學階段進行連續性培養，以達到培養目標[1-2]。化工原理是化工類專業最重要的專業基礎課，課程設計是化工原理基礎知識和基本理論課程后的一次重要的實踐教學環節[3-6]。目前，在化工原理課程設計教學過程中，很多高校工藝過程計算中還需要學生采用手工計算，大量的手工計算會耗費學生過多的時間，一旦中間步驟有計算錯誤，會影響后續的設計，因此，學生對化工設計難免會產生畏難心里[4]。已經舉辦多年的全國大學生化工設計競賽是化工類專業的最高級別賽事，作為培養學生動手能力、解決問題能力、創新能力以及實踐能力的最佳途徑，已經受到國內各高校的廣泛關注[7]。在完成該競賽內容的過程中，需要使用過程模擬軟件Aspen Plus進行模擬計算，并利用AutoCAD軟件繪制二維和三維設備及廠區布置圖等。因此，我們就以化工原理課程設計為切入點，從引導學生使用Aspen Plus模擬軟件及AutoCAD繪圖軟件入手，培養學生使用先進設計工具，利用軟件中的單元操作模型進行設備設計計算，并用AutoCAD軟件繪制課程設計內容要求的工藝流程圖和主體設備條件圖。采用專創融合教學的理念，在完成課程教學的基礎上，鍛煉了學生使用Aspen Plus模擬軟件及AutoCAD繪圖軟件的能力，同時，以賽促學，提高了學生們學習的積極性。

1 化工原理課程設計專創融合的教學模式及實施計劃

專創融合教學需要以專業知識作為基礎，創新創業教育作為有力補充，才能達到有效的專創融合教學目標。

化工原理課程設計課程的改革主要從兩方面入手，其一是將化工原理課程設計課程與全國大學生化工設計競賽結合，熟悉化工設計競賽內容及要求；其二是將過程模擬軟件和繪圖軟件的使用引入化工原理課程設計中，將傳統的工藝過程手工計算和手工繪圖與現代電算相結合，提升學生電算和計算機繪圖的水平，適應現代化工設計需要；三是制定規范設計內容和評分原則，評分過程透明化，保證公平的基礎上，提前為學生參加全國大學生化工設計競賽做好準備。這些過程的實施需要學生具有扎實的基礎，因此，在化工原理課程設計的教學過程中，有效利用各個教學環節，逐步將過程模擬軟件和計算機繪圖知識與課程設計教學內容相結合。以全國大學生化工設計競賽為主體的專創融合教學模式的基本結構如圖1所示。

圖1 專創融合教學模式基本結構圖

2 化工原理課程設計課程實踐

在化工原理課程設計課程上，我們將學生按照化工設計大賽的組隊形式進行分組，5個人一組，每組選出一名隊長，負責整個隊伍的組織與協調。

課程設計的選題和內容主要來源于全國化工設計競賽。大賽題目每年均不同，大賽選題與生產實際密切相關，有利于激發學生的學習興趣和勇于挑戰自我的精神。化工原理課程設計課程時長為兩周，教師根據學生理論課程的學習情況選擇適合的設計課程內容，每組5人做一個體系的內容，每個人的原料處理量不同。設計的課程內容以精餾塔或填料塔為主，同時可以對換熱器進行選型。在化工原理課程上，教師將換熱器、精餾塔、填料塔設計的原理及方法進行講解，讓學生提前了解課程設計需要掌握的理論知識。在化工原理課程設計正式進行前，教師將要使用的Aspen Plus軟件及CAD軟件的安裝方法以視頻或文件的形式傳達給學生，讓學生提前安裝軟件并熟悉界面使用。化工原理課程設計開始，教師首先向學生發布設計任務，將每組學生的設計內容及要求交給隊長，由隊長進行分配具體任務。Aspen Plus軟件是一個功能強大的通用過程軟件，盡管其具有友好的用戶界面和豐富的幫助系統，但如果沒有前期基本原理的培訓與學習，學生學習使用該軟件會具有相當的難度。因此，在課程設計的教學中，教師先對學生進行基本原理的培訓，并向學生演示如何完成一個換熱器設計的模擬案例。教師演示的同時進行同步解說，制作演示視頻，同學通過觀看，自行模擬練習操作，熟悉操作過程。軟件培訓結束后，學生開始分組進行課程設計任務。任務要求學生要按課程設計題目查找可行性論證，設計換熱器的相關計算用Aspen Plus軟件完成。考慮到學生初次使用Aspen Plus軟件，可能存在一定的難度，學生也可以先進行手工設計計算，然后再使用Aspen Plus軟件模擬計算，最后按照任務要求整理化工原理課程設計任務書。

在繪制圖紙方面，要求學生手工繪制與計算機CAD軟件繪制相結合。考慮到學生繪圖的基本功較差，繪圖過程中不夠注重細節，需要通過手繪鍛煉學生的基本功。同時，計算機CAD軟件繪圖作為現代作圖非常重要的一個工具，也是學生必須要掌握的重要內容，因此，我們采取手繪和計算機CAD軟件繪圖相結合的手段，讓學生先手繪設備條件圖，經檢查合格后，再通過CAD軟件繪制一張電子版的設備條件圖和一張工藝流程圖。

采用專創融合的教學方法，學生完成課程設計的工作量比傳統教學方法大很多，但也大大激發了學生學習探索的精神，任務書和圖紙的質量較往屆都有所提高。同時，學生掌握了Aspen Plus軟件計算和CAD軟件繪圖的基本方法，為參加全國大學生化工設計競賽打下基礎。

3 課程設計內容及評分細則標準化

以競賽為引導，以創新教育為目標，是化工原理課程設計課程教學的基本指導方針。在實現過程中，以全國大學生化工設計競賽為目標，梳理和完善化工原理課程設計內容要求，制定評分細則標準，提升學生課程設計水平，實現以專業知識為基礎，創新創業教育為目標的教學、實踐模式。

3.1 課程設計內容

3.1.1 化工工藝設計

化工工藝設計包括設計方案確定、主要設備的工藝設計計算(設計工藝參數的選定及依據、系統的物料衡算、產品收率及原料耗用量計算)、系統的熱量衡算、加熱冷卻劑耗用量計算、 主要設備的工藝尺寸設計計算或校核計算、系統流體力學性能計算、主要設備的流體壓降損失計算、典型輔助設備(如風機、泵、換熱器、貯罐等)主要工藝尺寸或參數的確定、設備規格及型號的選定等。

3.1.2 設計說明書編寫

設計說明書是將所完成的課程設計予以綜合簡介、并對設計給予評述。內容包括設計任務書、目錄、設計方案簡介與評述、工藝設計及計算、主要設備設計、輔助設備選型計算、設計結果匯總表、工藝指標與技術經濟指標簡介、參考資料等。

3.1.3 圖 紙

帶控制點工藝流程圖(用示意圖表示單元操作所有主體設備及輔助設備，標出物流量(或能流量)、物流向、控制閥門，以及溫度、壓力控制點的控制標記)、主體設備條件圖(包括設備總體結構設計、設備的主要工藝尺寸、設備技術特性表、設備接管表(規格和用途)、設備零部件明細表)。

3.2 評分細則標準化

針對課程設計內容，分別給出了說明書、Aspen Plus模擬計算和AutoCAD繪圖評分細則。

3.2.1 設計說明書評分細則(換熱器設計)(20分)

(1)設計內容符合標準，設計要求主要章節滿足HG/T20688-2000標準的要求，項目總分(1分)。

(2)設計工藝方案論證設計細節要求：

①列出常用工藝技術方案(0.2分)；

②畫出流程簡圖(0.2分)；

③不同技術方案能耗、環保、安全、流程繁簡等方面的文字說明(0.6分)；

④綜合分析比較得出本選用的工藝技術方案及選用理由(1分)。

(3)給出設計條件，根據Aspen工藝計算結果，給出工藝參數，如管程和殼程的設計壓力、設計溫度、介質名稱、組成和流量、換熱面積、選用材質、污垢熱阻等，設計細則要求：

①管程和殼程壓力(0.5分)；

②設計溫度(0.5分)；

③介質名稱(0.5分)；

④組成和流量(1.0分)；

⑤換熱面積(1.0分)；

⑥選用材質(0.5分)；

⑦污垢熱阻(0.5分)；

⑧其它相關參數(0.5分)。

(4)結構參數設計，設計要求選型或設計，給出校核后的結果，如換熱器結構形式、折流板形式和間距、殼程直徑、換熱管直徑及計算長度、接管尺寸及方位等。設計細則要求：

①根據校核給出換熱器形式(1分)；

②折流板形式和間距(1分)；

③殼程直徑(1分)；

④換熱管直徑及長度(1分)；

⑤接管尺寸及方位(0.5分)；

⑥其它相關參數(0.5分)。

(5)強度計算設計要求對設備筒體壁厚、封頭壁厚、管板厚度進行設計，并對設備法蘭進行復核。設計細則要求為：

①設備筒體壁厚(1分)；

②封頭壁厚(0.5分)；

③管板厚度(0.5分)；

④設備法蘭復核(0.5分)；

⑤其它相關參數(0.5分)。

(6)過程節能及環境保護，參考《深度規定》，設計細則要求為：

①能源選擇合理分析(1分)；

②有節能措施(0.5分)；

③有廢氣、廢液排放及處理方案(0.5分)；

(7)設計結果匯總及參考資料(2分)。

3.2.2 Aspen Plus模擬軟件計算評分細則(換熱器設計)(20分)

設計內容及要求：

(1)流程模擬通過，對換熱器進行了詳細設計(2分)；

(2)換熱器流態合理，傳熱系數包括污垢熱阻、換熱面積滿足要求(4分)；

(3)換熱器內冷熱流股的流態均應為湍流，否則扣分(-2/臺)(3分)；

(4)傳熱系數基于傳熱膜系數、固壁熱阻和污垢熱阻(輸入合理經驗值)計算，否則扣分(-2/臺)(4分)；

(5)實際傳熱面積應比計算面積大30-50%，否則扣分(-2/臺)(4分)；

(6)換熱器壓降合理(3分)。

3.2.3 CAD圖紙評分細則(換熱器設計)(20分)

設計內容及要求：

(1)格式規范性要求：

①圖框內容完整(2分)；

②圖標、圖線、文字高度符合要求(2分)。

(2)內容正確性與完整性要求：

①流程結構符合要求(4分)；

②單元控制邏輯正確(4分)。

(3)設備裝配圖要求：

①設備及尺寸標注正確(4分)；

②空間布局合理無沖突(4分)。

4 結 語

通過上述化工原理課程設計的深層次改革，學生對化工過程模擬軟件和繪圖軟件的使用等計算機應用技能得到真正有效的提高，即掌握了以化工單元操作為主的工程設計的內容方法，也為后續參加全國大學生化工設計競賽打下堅實基礎，經過電算、CAD繪圖、標準化評分訓練，學生也為將來進行全流程模擬、車間布置設計、裝置總體設計等做好了準備。在專創融合的教學過程中，對教師要求也有提高，不僅需要教師在課程教學中教授專業知識，同時還需要將創新理念融合到教學過程中，在指導學生參加全國大學生化工設計競賽的同時，也需要教師能及時了解所需的電算、CAD繪圖及三維渲染圖等最新知識、技術，因此，專創融合的教學模式也督促教師不斷學習和實踐，以便能更好的指導學生進行創新實踐，同時也有效提高了教師的業務能力，達到了教學相長的效果。