高 翔， 葉向群， 朱明喬， 何潮洪

(浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，杭州 310027)

0 引 言

化工原理實(shí)驗(yàn)課程屬于工程類實(shí)驗(yàn)課程，化工實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大多較易波動(dòng)。本課程所面對(duì)的學(xué)生都是初次接觸化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)裝置，由于沒(méi)有工程概念，看到比自己以前所學(xué)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)模大了許多倍的實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生基本上是無(wú)所適從，對(duì)于化工及相關(guān)專業(yè)學(xué)生而言，其對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的概念還停留在以往精細(xì)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，如化學(xué)實(shí)驗(yàn)、物理實(shí)驗(yàn)、電子實(shí)驗(yàn)等，學(xué)生因缺少工程概念，表現(xiàn)出來(lái)的主要 “癥狀”就是不能容忍實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各種誤差的存在，對(duì)誤差產(chǎn)生的原因也只能籠統(tǒng)地描述，甚至錯(cuò)誤地認(rèn)為數(shù)據(jù)波動(dòng)是由實(shí)驗(yàn)裝置的“舊”引起的，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的分析也僅僅停留在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)產(chǎn)生的誤差上，忽略了對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果的深入分析。如果教學(xué)過(guò)程只是單一的實(shí)驗(yàn)過(guò)程講解和操作，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)收獲往往就是完成了對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，并沒(méi)有達(dá)到實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)有的目的。因此需要采用不同于化學(xué)、物理等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，給學(xué)生正確的工程理念引導(dǎo)。

著名教育學(xué)家烏申斯基說(shuō)過(guò)：“比較是一切理解和思維的基礎(chǔ)”。比較是人們常用的思維方式，是主動(dòng)思考的過(guò)程，是提高分析和綜合能力的過(guò)程。國(guó)內(nèi)許多高校在多種學(xué)科的教學(xué)過(guò)程中采用了不同形式的比較教學(xué)法，從中取得了一定的成效[1-6]，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程給與學(xué)生以更大的收獲，通過(guò)多年化工實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)課程的重要組成部分，可以給與學(xué)生相同實(shí)驗(yàn)多種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不同體驗(yàn)，通過(guò)比較，將兩個(gè)或兩個(gè)以上內(nèi)容辨出異同，有助于認(rèn)識(shí)內(nèi)容本質(zhì)。同時(shí)學(xué)生的認(rèn)知能力在比較過(guò)程中逐步建構(gòu)，不斷豐富、提高和發(fā)展。

1 比較教學(xué)法在實(shí)驗(yàn)裝置中的應(yīng)用

1.1 不同流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)裝置的比較

流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)是化工原理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，常規(guī)流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)采用的是工業(yè)流體輸送的管路作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，如管徑1″的鍍鋅管或不銹鋼管等。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置可以比較不同材質(zhì)的常規(guī)管道的流體流動(dòng)阻力，得到宏觀流體流動(dòng)時(shí)的直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。

1-水箱，2-離心泵，3-流量調(diào)節(jié)閥，4-流量計(jì)，5-溫度計(jì)，6～9-壓差傳感器，10,11-實(shí)驗(yàn)閥門，12,13-實(shí)驗(yàn)管路

圖1 常規(guī)流體阻力實(shí)驗(yàn)裝置

近年來(lái)隨著電子信息工業(yè)的飛速發(fā)展，微流體技術(shù)因?yàn)榫哂凶吭降膫髻|(zhì)、傳熱及安全性能,連續(xù)化操作和可實(shí)現(xiàn)流體精確調(diào)控等特性,成為過(guò)程強(qiáng)化的一個(gè)重要手段，使得微流體設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如微換熱器、微混合、微分離過(guò)程及燃料電池等[7]。微尺度下的流動(dòng)過(guò)程由于尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等因素的影響，微流體的驅(qū)動(dòng)與控制與宏觀流體有很大的不同[8]，相對(duì)于常規(guī)管路的流動(dòng)阻力會(huì)增大，而安全、清潔、有效、節(jié)能和可持續(xù)性是微流體設(shè)備所要達(dá)到的目標(biāo)，研究微尺度下的流體流動(dòng)阻力具有重要意義。為此建立了如圖2所示的微管流體阻力實(shí)驗(yàn)裝置，微管(管徑100～1 000 μm)表現(xiàn)出來(lái)阻力現(xiàn)象和常規(guī)管路是完全不同的。采用常規(guī)管阻力與微管阻力比較教學(xué)，即學(xué)生在完成常規(guī)管路流體阻力實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行微管阻力實(shí)驗(yàn)，比較微管流動(dòng)阻力特性與常規(guī)管的差異，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)宏觀經(jīng)典理論的局限性，從而能夠從多方面理解流體阻力，擴(kuò)大了傳統(tǒng)基礎(chǔ)化工的研究范圍，給予學(xué)生多視角的收獲，也有利于化工專業(yè)學(xué)生拓展就業(yè)領(lǐng)域。

1-高壓氮?dú)怃撈浚?-氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥，3,7-過(guò)濾器，4-氣體穩(wěn)壓罐，5-儲(chǔ)液罐，6-盤管，8-壓力變送器，9,10-混合腔，11-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，12-平底燒瓶

圖2 微管流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 不同間壁傳熱實(shí)驗(yàn)裝置的比較

傳熱是化工過(guò)程理論基礎(chǔ)中的“三傳”之一，通過(guò)設(shè)立多種實(shí)驗(yàn)裝置以構(gòu)成傳熱實(shí)驗(yàn)的比較,其中一種傳熱實(shí)驗(yàn)裝置是熱空氣與水之間的換熱，如圖3所示。

由于相對(duì)于其他介質(zhì)而言水的比熱較大，而在實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)模有限的換熱條件下單位時(shí)間的傳熱量又較小，由此造成水的進(jìn)出溫度變化幅度非常小，因此不可避免產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的空氣強(qiáng)制對(duì)流傳熱與流動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系與化工原理教材上的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式相去甚遠(yuǎn)，更有甚者冷卻水的溫度增幅為負(fù)值，這顯然是不合理的。

另一種傳熱實(shí)驗(yàn)裝置是水蒸汽與空氣之間的換熱，如圖4所示。

換熱過(guò)程中水蒸汽冷凝放熱為相變過(guò)程，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水蒸汽側(cè)的溫度不變，而空氣的比熱很小，因此在有限的換熱量下進(jìn)出換熱管的空氣溫差也非常明顯，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就能得到空氣傳熱與流動(dòng)之間關(guān)聯(lián)的合理結(jié)果，此外裝置中的實(shí)驗(yàn)換熱管除普通套管換熱器，還可以切換操作強(qiáng)化套管換熱器，強(qiáng)化套管換熱器即在套管換熱器的內(nèi)管(空氣側(cè))增設(shè)擾流元件，蒸汽與空氣通過(guò)套管換熱器換熱的熱阻主要集中在空氣側(cè)，空氣管內(nèi)的擾流元件可以增加空氣流動(dòng)的湍流程度，使得空氣側(cè)傳熱熱阻下降，進(jìn)而有效地強(qiáng)化傳熱過(guò)程。對(duì)比這些換熱實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)誤差所產(chǎn)生的原因及后果有了清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)強(qiáng)化傳熱的手段也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，由于傳熱強(qiáng)化的同時(shí)空氣的流動(dòng)阻力也會(huì)顯著增加[9]，因而該實(shí)驗(yàn)過(guò)程的對(duì)比使得學(xué)生對(duì)實(shí)際工程中強(qiáng)化傳熱元件的利與弊有了較深刻的認(rèn)識(shí)，十分有利于學(xué)生對(duì)“利弊綜合權(quán)衡”和“經(jīng)濟(jì)效益”等工程觀點(diǎn)的理解。

1-旋渦風(fēng)機(jī)，2,12～15-溫度計(jì)，3-壓力計(jì)，4-孔板流量計(jì)，5-壓差傳感器，6-截止閥，7-電加熱器，8-套管換熱器，9-鉑熱電阻，10,11-熱電偶

圖3 水-熱空氣傳熱實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 水蒸汽-空氣傳熱實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 不同液液萃取實(shí)驗(yàn)裝置的比較

萃取是分離和提純物質(zhì)的重要單元操作之一，是利用混合物中各個(gè)組分在外加溶劑中的溶解度的差別，使組分得到分離。在當(dāng)今迅速發(fā)展的生產(chǎn)具有高附加值產(chǎn)品的精細(xì)化工中有著廣泛的應(yīng)用，如中藥活性成分的提取等[10-11]。

在化工原理理論教材中，萃取作為重要的化工單元過(guò)程，簡(jiǎn)要介紹了轉(zhuǎn)盤萃取和脈沖萃取。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度看，小型的轉(zhuǎn)盤萃取裝置較易搭建，如圖5所示。

1-原料貯槽，2-收集槽，3-電動(dòng)機(jī)，4-控制柜，5-轉(zhuǎn)盤萃取塔，6,9-流量計(jì)，7-萃取劑貯罐，8,10-輸送泵，11-排出液管，12-轉(zhuǎn)速測(cè)定儀，A,B,C-取樣口

圖5 轉(zhuǎn)盤萃取實(shí)驗(yàn)裝置

但從國(guó)內(nèi)化工界的工程實(shí)踐看，大型萃取裝備實(shí)際采用的是脈沖萃取塔，基本不用轉(zhuǎn)盤萃取塔，其主要原因有二：①轉(zhuǎn)盤萃取塔比脈沖萃取塔通常更耗能；②大型的轉(zhuǎn)盤萃取塔需要較長(zhǎng)(往往20～30 m)且偏心度很小的轉(zhuǎn)軸，否則裝在長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤會(huì)偏離水平面，導(dǎo)致萃取效率急劇下降并容易發(fā)生不正常的“液泛”現(xiàn)象，而局限于目前國(guó)內(nèi)的加工水平，很難加工得到偏心度很小的長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸，換句話說(shuō)轉(zhuǎn)盤萃取塔屬于理論上可行但實(shí)際工程上較難實(shí)施的設(shè)備。因此化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中原采用的轉(zhuǎn)盤萃取裝置實(shí)際上是與工程實(shí)踐脫節(jié)的，而普通的填料塔和篩板塔易出現(xiàn)返混影響平衡級(jí)效率[12]，實(shí)際工程上有多種強(qiáng)化萃取過(guò)程的方法[13]，通過(guò)“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合，將科研創(chuàng)新成果應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)課程的裝置中，建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的脈沖萃取實(shí)驗(yàn)裝置[14]，如圖6所示。

1-原料貯槽，2-收集槽，3-脈沖系統(tǒng)，4-控制柜，5-脈沖萃取塔，6,9-流量計(jì)，7-萃取劑貯罐，8,10-輸送泵，11-排出液管,A,B,C-取樣口

圖6 脈沖萃取實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置相當(dāng)于大型工程裝備的小型版，實(shí)驗(yàn)過(guò)程具備多個(gè)可調(diào)參數(shù)(包括脈沖頻率、脈沖振幅、兩相流量等)，非常有利于學(xué)生的工程訓(xùn)練，萃取實(shí)驗(yàn)教學(xué)中脈沖萃取與轉(zhuǎn)盤萃取的實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，可以讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到在萃取效果提升的同時(shí)需要更多外加能量的消耗，讓學(xué)生更深入地理解“節(jié)能的考慮”“加工水平的考慮”等工程觀點(diǎn)，取得了很好的教學(xué)效果。

2 比較教學(xué)法實(shí)驗(yàn)中的體會(huì)

實(shí)驗(yàn)課程是通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置給與學(xué)生以足夠的操作體驗(yàn)，化工原理實(shí)驗(yàn)課程是給與化工專業(yè)類學(xué)生建立工程概念的首要基本課程[15]，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程讓學(xué)生得到更多的收獲，實(shí)驗(yàn)裝置的更新?lián)Q代顯然是必不可少的，但不能片面地要求實(shí)驗(yàn)裝置全部求新求異，如果新建的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都愈來(lái)愈自動(dòng)化，這樣“全自動(dòng)”的“新”實(shí)驗(yàn)裝置使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中幾乎不需要操作設(shè)備，顯然違背了實(shí)驗(yàn)類課程設(shè)置的初衷；然而“全手動(dòng)”的“舊”實(shí)驗(yàn)裝置又與當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相悖，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，顯然自動(dòng)與手動(dòng)各有利弊，而自動(dòng)與手動(dòng)的有機(jī)結(jié)合則有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[16]，因此在建立具有先進(jìn)技術(shù)的“新”實(shí)驗(yàn)裝置的同時(shí)刻意保留一些“舊”實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程畢竟不同于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 進(jìn)行“新”與“舊”的對(duì)比，并將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中對(duì)于所學(xué)的內(nèi)容既把握了區(qū)別又找到了聯(lián)系，從而建立起良好的工程理念，較好地領(lǐng)會(huì)多種工程意義，并體會(huì)工程與科學(xué)的聯(lián)系與差別，教學(xué)效果良好。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)應(yīng)理、工、農(nóng)、醫(yī)及國(guó)際交流生等不同專業(yè)、不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，可以有多方面的化工實(shí)驗(yàn)比較教學(xué)法，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不同，選擇包括實(shí)驗(yàn)裝置中不同參數(shù)對(duì)過(guò)程影響的比較、傳統(tǒng)與現(xiàn)代的比較、實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置與工程實(shí)際裝備的比較、探究實(shí)驗(yàn)與例行實(shí)驗(yàn)的比較等，并且將比較教學(xué)法同其他教學(xué)方法相互結(jié)合、相互滲透，達(dá)到了使學(xué)生充分認(rèn)知實(shí)驗(yàn)過(guò)程的目的。