理科化学和应用化学专业化工过程模拟课程浅谈

【摘要】目前全国高校较多设置了化学和应用化学专业，理科化学系学生的理科课程框架较为丰富，但是其工科课程设置较少，化学系类学生的工科素养要远低于化学工程专业的工科学生。这极大的限制了理科化学系类学生的就业和进一步深造方向。针对此问题，本文将浅谈理科化学和应用化学专业本科生的化工过程模拟上机课程，让学生在有限的教学课程中，学习化工过程三传一反的核心理论，获得化工过程的知识，提高工科素养。

【关键词】化学 应用化学 化工过程

【课题项目】本文系2018年江苏科技大学研究生教育教学改革研究与实践课题研究成果。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）49-0149-02

目前全国较多的理科化学系或应用化学系的教学和实验课设置是以理科课程为主，工科类课程为辅。从课程框架上看，理科化学和应用化学专业主要以四大化学为主，工科类的主干课程只有少学时的化工原理。国内大多理科化学类的专业缺少工科类的课程如传递过程、化学工艺和反应工程等。基于如上学科设置，化学系本科生的理科素质较高，但对于工科类的知识掌握不够。因此，如何在有限的教学课程中，添加工科素质培养的环节，让学生在有限的学习时间内获得更多的化工工程知识，并提高化学理科本科生的工科素养，是理科化学和应用化学专业老师在教学环节需要面对和解决的问题[1]。

针对此问题，一些高校增加了工科课程的课时，但是教学的深度难以把握，理科本科生对工科课程如化学工艺学、传递过程和反应工程等的兴趣不足，而这些课是化学工程类专业的主干课。化工过程分类较多，理科化学专业本科生对化工工业过程了解较少，较复杂的化工过程以及单元操作不适合理科学生，因此寻找一些既让学生能很快深入又能激发学生研究兴趣的化工过程是本文讨论的一个重点。可以将工科课程《化工原理》内涉及到的单元操作进行延伸，将实际的化工过程和《化工原理》课程内涉及到的单元操作过程进行对比研究，从化工过程的三大原理（质量传递、动量传递和热量传递）出发，从揭示三大原理的角度来选择经典的化工过程作为上机模拟的案例。

目前化工过程计算机模拟软件较多，包含有限体积分析软件如Fluent，化工流程模拟软件如Aspen Plus，离散化化工过程软件Star CD等[2]。这些软件专业性较强，需要大量的数学背景知识才能灵活运用。但是，理科化学专业的本科生无需灵活掌握具体某个软件的使用，只需在简单的讲解和理解后能使用该化工软件对熟知的化工过程进行模拟。因此，需要对化工软件进行有目的性选择，以经典化工过程为导向，针对选择的化工过程选择合适的模拟软件，以体现该软件在模拟该化工过程的优势。COMSOL Multiphysics是一款有限元分析处理软件，以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现对三传一反的模拟计算。COMSOL的化学反应工程模块简化了化学反应器、过滤设备、混合器及其他化工过程的优化步骤。因此可以采用该有限元分析软件作为教学和上机的化工过程模拟软件。

化工过程大多包括多个传递过程，如同时出现质量和动量传递。针对化工过程的“三传一反”（质量传递、动量传递、热量传递和反应工程），逐一简化贯穿这些基本原理的化工过程，以突出基本原理的应用，使得学生的学习重点更加鲜明。对于质量传递，可以选择膜分离过程模拟，烃卤化反应器过程模拟，吸收塔过程操作模拟，精馏塔过程操作模拟等。对于动量传递，可以选择电极流道流体动力学模拟，多孔介质中流体力学模拟。对于热量传递，可以选择反应釜传热过程模拟，精馏塔传热过程模拟。对于反应工程，可以选择烃卤化反应器过程模拟，电解水过程模拟。因此理科化学和应用化学系本科生设计化工过程模拟的上机课程可以包括：①烃卤化反应器过程模拟；②反应釜传热过程模拟；③电极流道流体动力学模拟；④膜分离过程模拟；⑤吸收塔过程操作模拟；⑥精馏塔过程操作模拟；⑦多孔介质中流体力学模拟。这些过程的上机模拟操作和化工原理课程中的单元操作一一对应，是化工原理课程的延伸。学生可以自由改变各个操作参数，在计算机上实现动态实时的模拟操作。另外需要对化工过程模拟上机的内容安排和框架体系进行优化设计，在讲授一部分浅显的数值分析的基础上讲授过程模拟专业知识，然后再将上述浅显易懂的化工过程模拟知识传授给学生，让学生在较短的时间内对化工过程和过程模拟有较深入的理解。

参考文獻：

[1]陆君等，案例互动教学在化工原理课程中的应用，科学时代，2012（4）：100-101

[2]肖国民等，通用化工模拟软件在《化工传递过程原理》教学中的应用，化工时刊，2012（10）：53-59