李伸杰，陳艷艷，姚鑫，葉躍雯，王艷青，張茂峰

（合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥 230009）

2018 年1 月，教育部發(fā)布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出核心實(shí)驗(yàn)課程體系是實(shí)現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的體現(xiàn)?；ぴ韺?shí)驗(yàn)是高等學(xué)校化學(xué)化工類專業(yè)教育主要工程性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)。雖然是化工原理理論課的實(shí)踐課程，但其在實(shí)驗(yàn)操作及處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果過程中所需前續(xù)知識(shí)較多，包含高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、物理化學(xué)等學(xué)科，因此更具備綜合性特點(diǎn)。可見，化工原理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)培養(yǎng)工程實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、分析和解決工程問題能力和相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作技能的重要平臺(tái)，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要一環(huán)。

1 傳統(tǒng)化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題

化工原理實(shí)驗(yàn)具有學(xué)時(shí)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)類別多等特點(diǎn)，因此在傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教師通常采用先講授實(shí)驗(yàn)原理，而后介紹實(shí)驗(yàn)裝置，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟的操作示范這一基本流程。學(xué)生被分為2～4人一組，配合完成實(shí)驗(yàn)操作及后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程。此外，由于化工原理實(shí)驗(yàn)都是在單臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器上進(jìn)行操作，且實(shí)驗(yàn)臺(tái)套數(shù)較少，教師在現(xiàn)場(chǎng)講解時(shí)難免受到場(chǎng)地的限制，著重介紹實(shí)驗(yàn)原理及操作流程，而學(xué)生則疲于記錄實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，無暇認(rèn)真思考該操作步驟的用意，造成“重步驟，輕因果”的現(xiàn)象。

另外，由于化工原理涉及多流體流程，儀表多，閥門多，流程復(fù)雜，且前面流程對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有較大影響。這樣復(fù)雜的步驟，單純靠現(xiàn)場(chǎng)講解，學(xué)生很難明白每個(gè)閥門的作用。為了防止擰錯(cuò)閥門，避免“重復(fù)”做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們大多記錄閥門移動(dòng)順序，如先開哪個(gè)后開哪個(gè)，而忽視了為什么這樣做，這對(duì)于一門實(shí)踐學(xué)科來說，無疑是沒有真正實(shí)踐過程的。比如恒壓過濾裝置中，離心泵在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中充當(dāng)三個(gè)角色：以混動(dòng)形式進(jìn)行混料，通過部分上料管路給原料罐上料以及在整個(gè)過濾過程中持續(xù)混流，防止大顆粒下沉，而最后這一步驟往往是最重要的。這是因?yàn)檫^濾作為典型的分離非均相混合物的單元操作，其過濾的混合物多為固體顆粒，基于實(shí)驗(yàn)安全和實(shí)驗(yàn)操作性考慮，通常選用碳酸鈣作為待分離物質(zhì)。而我們知道碳酸鈣小顆粒是不溶于水的，并且其密度較大，易下沉至容器底部，形成粘性的“餅塊”，這樣的“餅塊”非常容易堵塞管路，因此在實(shí)驗(yàn)過程中，常有同學(xué)未開啟混合閥門，造成碳酸鈣過早沉淀，過濾時(shí)間過短，基本得不到濾餅這一現(xiàn)象。由于化工原理實(shí)驗(yàn)操作普遍具有復(fù)雜性，非常容易出現(xiàn)“易操作，難分析”這樣的問題。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)為演示型實(shí)驗(yàn)，如伯努利實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)裝置較為簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也不繁瑣，但仍有同學(xué)得不到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以雷諾實(shí)驗(yàn)為例，我們理論課上給大家講述管路內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，以紅色墨水為示蹤劑，觀察長(zhǎng)直管內(nèi)紅色墨水的運(yùn)動(dòng)軌跡。該實(shí)驗(yàn)中，為確保長(zhǎng)直管內(nèi)流體流速的穩(wěn)定，在左側(cè)設(shè)置了高位槽。由于高位槽位置固定，產(chǎn)生了一定的溢流，根據(jù)伯努利方程，其產(chǎn)生的勢(shì)能也固定。理論上來看，滿足觀察到流體流型的條件，但在實(shí)際操作中，水箱內(nèi)的液位并沒完全恒定。這是因?yàn)槭茏⑺俣扔绊?，液位液面產(chǎn)生波動(dòng)，妨礙我們觀察到正確的流型。為此，應(yīng)該提醒學(xué)生，等到液面有一定高度后，將入水管閥門調(diào)小，減緩液面波動(dòng)對(duì)其的影響。事實(shí)上，流體流型觀察與測(cè)定這一實(shí)驗(yàn)原理相當(dāng)簡(jiǎn)單，但同學(xué)們經(jīng)常觀察不到層流現(xiàn)象，這是由于忽視了設(shè)備帶來的影響，這也是目前化工原理實(shí)驗(yàn)中常出現(xiàn)的“重原理，輕設(shè)備”問題。

2 基于設(shè)備及工程原理的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新思路

基于設(shè)備及工程原理的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案主要是通過工程需求和設(shè)備原理，將化工原理實(shí)驗(yàn)中設(shè)備的選用、布局及實(shí)驗(yàn)過程重新梳理，在原有化工原理理論授課基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際單元需求，向同學(xué)們展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)科學(xué)之美。從傳統(tǒng)意義上學(xué)生們對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的“聽過”“見過”“做過”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔伊私狻薄拔艺莆铡薄拔覄?chuàng)新”，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的積極性和參與度，以主人翁意識(shí)參與到實(shí)驗(yàn)過程中來。具體實(shí)施方案如下：

（1）課前從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，通過在線文檔，引出多個(gè)實(shí)驗(yàn)相關(guān)問題，促進(jìn)學(xué)生思考

在線文檔具有便捷性，方便授課教師和學(xué)生雙方互動(dòng)交流。為方便論述，以萃取為例詳細(xì)介紹，將以下幾個(gè)思考問題引入在線文檔：萃取的主要目的是什么？什么情況下用萃??？萃取的設(shè)備有什么特點(diǎn)？對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中采用清水萃取煤油中的苯甲酸，你認(rèn)為如何檢測(cè)水油兩相的萃取程度，才更方便？基于萃取計(jì)算公式，我們需要采集哪些樣品呢？采集位置放在哪里比較合適？水相和煤油相如何通入塔內(nèi)，才會(huì)有最大的萃取效果？通過以上問題的連續(xù)提出，幫助同學(xué)們梳理化工原理單元操作的適用范圍，引導(dǎo)同學(xué)們理解萃取塔的設(shè)計(jì)初衷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并根據(jù)萃取塔的特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量和印證。在學(xué)生們積極思考的基礎(chǔ)上，利用授課過程結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備的具體特點(diǎn)回答上述問題。

（2）從工程角度出發(fā)，擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊龑?dǎo)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)以致用

以精餾為例，本實(shí)驗(yàn)中采用的分離體系為常用的乙醇-水體系。在充分了解塔的運(yùn)行流程等步驟前，站在學(xué)生角度，根據(jù)理論課所學(xué)知識(shí)體系，引導(dǎo)同學(xué)們對(duì)精餾塔的結(jié)構(gòu)特征、計(jì)算以及應(yīng)用范圍進(jìn)行探討，如圖1所示。在本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，基于工程角度出發(fā)可以發(fā)現(xiàn)，分離效率或者說分離效果是表明一個(gè)塔“好壞”的最直觀的參數(shù)。分離效果又分為單板效率和全塔效率。很顯然，雖然單板效率好壞直接影響到全塔效率，但直接表征，即求取全塔效率才是最有效的方法。想求取全塔效率，需已知理論板數(shù)和實(shí)際板數(shù)。其中，對(duì)于一個(gè)已存在的塔來說，實(shí)際板數(shù)是已知并固定的，問題在于如何求取理論板數(shù)。課上我們給大家介紹了以下三種理論板數(shù)的求解方式，分別是逐板法、圖解法和捷算法?？梢詫⑷N方法的示意圖都放置在ppt 上，便于學(xué)生回憶，同時(shí)方便講解。如圖中逐板法計(jì)算精準(zhǔn)，但計(jì)算步驟較為復(fù)雜，并不適用于工廠中快速鑒定產(chǎn)品濃度；另外對(duì)比下捷算法，捷算法雖然步驟簡(jiǎn)單，但對(duì)于塔板數(shù)較少的實(shí)際塔，其誤差較為明顯。經(jīng)過以上判斷，我們可以發(fā)現(xiàn)圖解法可以同時(shí)兼顧方便性和準(zhǔn)確性，即本實(shí)驗(yàn)主要目的是通過圖解法求取全塔效率。如圖所示，想求取理論板數(shù)，需已知物系的平衡線、精餾段操作線和提餾段操作線，這里注意到在全回流條件下對(duì)角線就是操作線。如果給出塔頂、塔釜產(chǎn)品濃度，可以依據(jù)圖解法求出NT。而這幾條線我們?cè)趺辞笕∧兀渴紫?，講義后有乙醇-水體系的（常壓）氣液平衡數(shù)據(jù)，因此平衡線為已知；其次對(duì)于塔頂、塔釜產(chǎn)品濃度的求取，我們可以通過在塔頂和塔釜取樣進(jìn)行測(cè)定得到。再次回憶，在圖解法中的橫縱坐標(biāo)單位是物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，而本實(shí)驗(yàn)中采用酒精計(jì)測(cè)定的塔頂濃度單位為體積分?jǐn)?shù)，是不能直接應(yīng)用在圖解法中的，需要進(jìn)行單位的換算，即通過將體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再轉(zhuǎn)換為摩爾分?jǐn)?shù)。在得到了上述已知條件后，以塔頂產(chǎn)品濃度為起始點(diǎn)，通過在相圖中的平衡線和操作線間往復(fù)做垂線，當(dāng)交點(diǎn)低于塔底濃度時(shí)，則停止作圖。而圖中三角形的個(gè)數(shù)減去1就是理論塔板的個(gè)數(shù)，這是由于塔釜再沸器充當(dāng)了一次理論板。將得到的理論板數(shù)帶入公式，即可求出全塔效率，如圖1右圖所示。經(jīng)過上述對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃季S引導(dǎo)，雖然還未涉及到實(shí)驗(yàn)流程的講解，但實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中需求取的物理量及基本原理同學(xué)們已了然于胸，在接下來的實(shí)驗(yàn)步驟操作中，同學(xué)們就可以進(jìn)行有邏輯的操作、有目的的觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及有針對(duì)性的整理實(shí)驗(yàn)記錄。此外，結(jié)合上述分析過程，對(duì)于該實(shí)驗(yàn)中需要特別注意的事項(xiàng)，也可以一并介紹。

圖1 基于工程原理引導(dǎo)學(xué)生分析判斷精餾塔全塔效率求取過程的ppt展示圖

（3）從設(shè)備角度出發(fā)，引入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)初衷

仍以萃取為例，本實(shí)驗(yàn)中以水萃取煤油中的苯甲酸，水為萃取劑。引導(dǎo)學(xué)生從設(shè)備角度出發(fā)，如何設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)裝置。首先，涉及到流體流率問題。為更好控制進(jìn)入塔內(nèi)進(jìn)行傳質(zhì)的兩相流率，我們采用在流體流動(dòng)部分介紹過的旁路調(diào)節(jié)方式，即基于泵的有效功率不變的前提下，如何得到流量可調(diào)的流體。其次，涉及到流體流向問題。理論上來講，只要將萃取劑與待分離相進(jìn)行共混即可，即充分?jǐn)嚢?，等待足夠時(shí)間后進(jìn)行分離，但在設(shè)備操作上，必須考慮兩相接觸后運(yùn)動(dòng)方向問題，即動(dòng)力學(xué)問題。故在萃取塔內(nèi)，我們需讓密度較小的煤油從塔底通入，而將密度較大的清水從塔頂通入，強(qiáng)迫兩者進(jìn)行接觸，提高兩者間的傳質(zhì)效果，而這一邏輯其實(shí)與吸收操作是一致的。第三，涉及到流體分離問題。在萃取實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中共涉及四股流體，可以簡(jiǎn)單概括為水入、水出、油入和油出。由上述分析可知，水經(jīng)塔頂進(jìn)入，煤油相經(jīng)塔底進(jìn)入，但同時(shí)煤油相經(jīng)傳質(zhì)結(jié)束后，上浮至塔頂，故塔頂處存在兩個(gè)管路，一個(gè)為水入，一個(gè)為油出，因此本實(shí)驗(yàn)中，須嚴(yán)格控制油出和水入界面位置高度，防止返混。事實(shí)上，還需考慮以下問題，即為提高傳質(zhì)效率，需在塔內(nèi)灌滿清水后，打開油相入口調(diào)節(jié)閥，以水作為連續(xù)相，油相作為分散相。此外，我們了解到，總傳質(zhì)面積即為兩相接觸面積，因此通過添加機(jī)械振動(dòng)或者攪拌等方式將大油滴打散為小液滴，可最大限度提高傳質(zhì)面積，進(jìn)而提高傳質(zhì)效率。對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、計(jì)算量較大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如上述萃取過程，在給出對(duì)比圖的同時(shí)，給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程也很有必要，如圖2和圖3 所示。通過上述有圖片、有內(nèi)容的課前講解，將萃取過程模塊化分解，在提高學(xué)生的興趣及參與度的同時(shí)，進(jìn)一步掌握本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖2 基于設(shè)備特點(diǎn)給出的實(shí)驗(yàn)裝置圖及流體流動(dòng)原理圖

圖3 萃取實(shí)驗(yàn)中相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程舉例

（4）基于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改革與創(chuàng)新

在充分了解實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、制造、使用目的和注意事項(xiàng)后，可以讓部分同學(xué)在現(xiàn)有儀器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案并論證其實(shí)施的可能性。以精餾實(shí)驗(yàn)為例，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置為不銹鋼材質(zhì)，共有16塊塔板，能否滿足新開設(shè)的實(shí)驗(yàn)，比如乙醇-丙醇分離實(shí)驗(yàn)？同樣，為考慮是否能得到高濃度的塔頂產(chǎn)品，首先需查找資料，確定乙醇-丙醇體系的（常壓）氣液平衡數(shù)據(jù)。然后假定一定的進(jìn)料組成、塔頂產(chǎn)品和塔頂產(chǎn)品濃度條件下，根據(jù)圖解法畫出理論塔板數(shù)，與實(shí)際板數(shù)進(jìn)行對(duì)比。若得到的理論塔板數(shù)過高，則需考慮如何改進(jìn)，如提高原料液中乙醇組成或降低塔頂產(chǎn)品組成。在學(xué)生設(shè)計(jì)得到準(zhǔn)確并可實(shí)施的實(shí)驗(yàn)方案后，可以為個(gè)別同學(xué)開設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生對(duì)化工原理的參與度以及自我認(rèn)同感。

3 結(jié)束語

在化工原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，我們利用現(xiàn)有設(shè)備特點(diǎn)、基于工程原理、面向社會(huì)需求，提出新的教學(xué)設(shè)計(jì)方案思路，將常規(guī)的從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)閺男枨蟪霭l(fā)的逆向思考。在實(shí)驗(yàn)開始前，指導(dǎo)教師通過在線文檔給出多個(gè)基于操作和設(shè)備的問題，引導(dǎo)學(xué)生將化工原理知識(shí)的理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際應(yīng)用；然后從工程角度出發(fā)，通過在實(shí)驗(yàn)過程中引入動(dòng)畫、圖片等展示形式，進(jìn)一步用所學(xué)知識(shí)解決當(dāng)前實(shí)驗(yàn)面臨的問題，深刻理解不同單元操作中采用不同方式進(jìn)行計(jì)算的原因及意義；最后在實(shí)驗(yàn)過程中從設(shè)備角度出發(fā)，提出該實(shí)驗(yàn)方案中管路走向、泵的安裝以及具體實(shí)驗(yàn)步驟等對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)的影響，同時(shí)據(jù)此提出實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。此外，在基于了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生開發(fā)新實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)新方法，在提高專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的同時(shí)，提高學(xué)生學(xué)以致用、解決實(shí)際問題的能力。