化工单元操作与传递过程的关联性教学改革研究

石国亮，贾士芳，赵玉英，史宝萍，高晓荣，王迎春，孟 涛，梁 琪

(1.太原科技大学 化学与生物工程学院，山西 太原 030024；2.太原科技大学 教务处，山西 太原 030024；3.中国联合网络通信有限公司山西省分公司信息化部，山西 太原 030000)

化工原理课程作为化工类相关专业的专业基础主干必修课程，其教学内容、教学方法及教学质量已被作为衡量化工相关专业类本科教育水准的重要评价指标或评价体系[1]。目前，化工原理课程教学内容体系主要是以化工各单元操作为主线贯穿全课程体系，通过介绍各单元操作的基本概念、基本原理、操作过程以及与其相应的典型单元设备的结构特点和计算，并且运用上述知识去对相关化工单元设备进行研发、设计和选型，从而体现了该课程特有的“基础性”和“工程应用性”双重特点[2]。这也正是该课程可作为《物理化学》等前修基础课程和《化工分离工程》等后续专业课程的承上启下的桥梁作用所在，更重要的是对于引导学生具有工程概念和工程意识发挥着重要的作用。显然，对化工原理课程中的化工单元操作有很好的理解至关重要，化工各单元操作按照其操作特点分别归属于动量传递、热量传递和质量传递(简称“三传”)，这在化工原理课程中已经介绍，然而关于其传递过程以及“三传”之间的关联等内容却在化工原理课程中介绍很少[3]，使得该课程的理论性显得较为薄弱，学生便不能从理论层面更好的去理解单元操作与“三传”之间的关联性。化工传递过程原理课程则主要介绍了“三传”的数学模型推导与应用以及“三传”之间的联系，而对单元操作的内容则未做任何介绍。如果将两门课程相关内容加以有机耦合，则有望实现单元操作和传递过程即“三传”内容的有效对接，用传递过程的理论知识来指导单元操作的实践过程，这将更大程度的体现出理论与实践相结合的重要性，从而增强学生对实际单元操作和传递过程理论的理解掌握和工程应用。

本文正是基于实现单元操作和传递过程即“三传”内容的有效对接之目的，通过探讨化工单元操作与化工传递过程之间的关联性，进而构建化工单元操作中“三传”机理的理论教学模式，旨在丰富和促进化工原理课程内容体系，加强学生理论联系实际能力的培养。

1 教学改革研究内容与目标

(1)探索研究化工单元操作中“三传”机理的理论教学研究的理论基础。以“三传机理”为切入点，通过将“三传”之间的内在联系渗透到相应的化工单元操作当中，从而搭建“三传”在单元操作中的理论教学基础。

(2)探索研究如何解决“三传”机理与单元操作的有机耦合，优化理论教学内容。分别从“三传”的内在联系和相应的单元操作的基本原理两方面寻找接入点进行耦合，例如将某一单元操作中所涉及的传递过程(可能为单一传递现象或两种以上传递现象共存)，并以此传递现象规律为理论基础对相应的单元操作优化理论指导，达到二者有机结合，优化理论教学内容。

(3)探索构建化工单元操作与传递过程有机耦合后的新的教学模式和教学方法与手段。以某个典型或某个重要的化工单元操作作为研究对象，以其中涉及的“传递现象”作引导，通过提出问题、分析问题、解决问题，从而构建单元操作原理与传递过程机理相耦合的新型教学模式。

本课题以构建化工单元操作中“三传”机理的理论教学新教学模式为研究总目标。

2 教学改革研究方法

首先从三种传递过程机理入手，分析它们的理论基础及其之间的内在联系；然后以某个或某几个重要的化工单元操作作为工程实践研究对象，分别阐述其涉及的基本操作原理；再通过分析二者的侧重点，进而找到它们的耦合之处，切实体现出理论与实践相结合的重要意义。同时，以“三传”理论与实际“单元操作”的耦合点为指导，构建“传递理论”在单元操作中的理论基础，探讨新的教学模式和教学方法。

3 教学改革实施过程

3.1 “三传”通用表达式的推导[4]

3.1.1 动量传递过程

其物理意义可理解为，动量扩散系数与动量浓度梯度的乘积。

从上述方程式①的分析，可以表示出动量传递过程的基本方程，即

动量通量

= 动量扩散系数*动量浓度梯度 ②

3.1.2 热量传递过程

从上述方程式③的分析，可以表示出热量传递过程的基本方程，即

热量通量

= 热量扩散系数*热量浓度梯度 ④

3.1.3 质量传递过程

从上述方程式⑤的分析，可以表示出热量传递过程的基本方程，即：

质量通量

= 质量扩散系数*质量浓度梯度 ⑥

综合以上传递过程的基本方程②、④和⑥，可以得出三种传递过程的通用表达式：通量=-扩散系数*浓度梯度。显然，它们之间存在着相似的传递现象或必然的内在联系，这种相似性又可以归结为统一的基本方程加以描述三种传递过程的基本理论，因此可以将其作为化工单元操作中“三传”机理理论教学研究的理论指导。

3.2 化工单元操作与传递过程的耦合

以分离苯-甲苯混合溶液体系的连续精馏单元操作为例，其连续精馏操作原理可以描述为，从精馏塔的中部某一适合位置(塔板的组成与原料液组成接近)加入原料混合溶液，从进料板沿塔下降至塔底的液相流经再沸器加热，部分液体汽化返回塔内，以形成沿塔上升的汽相流，其余部分液体作为塔釜产品引出；上升的汽相流沿塔升至塔顶冷凝器部分冷凝，并使部分冷凝液回流入塔，以形成沿塔下降的液相流，其余部分冷凝液作为塔顶产品引出。这样，在精馏塔内沿塔上升的汽相流与下降的液相流就会逐级进行多次接触蒸馏，从而使得上升汽相流中的易挥发组分(苯)逐渐增加，下降液相流中的易挥发组分(苯)逐渐减少或难挥发组分(甲苯)逐渐增加，在塔顶即可获得较高纯度的易挥发组分(苯)产品，塔底获得较高纯度的难挥发组分(甲苯)产品[5]。

从上述精馏操作原理中，可以看出精馏的实质是在每一层塔板上的液相流和汽相流逐级接触，并经多次部分汽化或多次部分液化，从而实现了苯-甲苯混合液的高纯度分离。那么，在整个精馏分离混合溶液过程中，必然伴随着以下传递过程现象的出现：(1)汽液相流在塔板之间的流动，属于动量传递现象；(2)汽相流放出潜热，使其部分冷凝，液相流获得冷凝潜热，使其部分汽化，属于热量传递现象；(3)液相流中易挥发组分苯向汽相流中转移，汽相流中难挥发组分甲苯向液相流中转移，属于质量传递现象。

图1 “三传”与精馏操作的关联性示意图

显然，三种传递过程贯穿于精馏操作全过程，其中归属于动量传递现象的汽液相回流是保证精馏连续操作的必要条件，归属于热量传递和质量传递现象的易挥发组分(苯)与难挥发组分(甲苯)在汽液相之间的相互转移是精馏操作的必然结果。它们之间的关联性可以用图1加以描述。

从图1中可以看出，由于流体之间发生的动量传递现象，促使汽液相流体相互接触，进而在热量浓度梯度的推动力下发生着热量的交换，同时在质量浓度梯度的推动力下发生着易挥发与难挥发组分的转移，从而确保了连续精馏操作的正常运行。显然，“三传”理论在精馏单元操作过程中得到了充分的实践，而精馏过程又无处不体现出了“三传”的理论基础。换言之，“三传”理论与精馏单元操作相辅相成，展现了很好的耦合作用效果。

4 教学改革新型教学模式的探讨

以单元操作作为讲述背景，以“传递现象”作引导，通过提出问题、分析问题、解决问题，从而构建传递过程与单元操作原理相耦合的新型教学模式。下面以换热单元操为例加以阐述。为使学生更好理解换热单元操作，首先提出为什么冬天家庭使用暖气片就感觉暖和的问题？我们知道换热片内部有热水，换热片内表面紧邻热水，流动的热水依靠大量的热水质点的位移首先将热量传给内表面，这样的传热方式就是热对流；然后获得热量的内表面通过无规则的分子之间碰撞再将热量传给外表面，在这个过程中无宏观质点位移发生，这样的传热方式就是热传导；周围流动的冷空气也凭借其不断的发生位移并且以对流的方式与获得热量的外表面接触，从而使冷空气升温成为热空气。此外，暖气片的高温外表面还可能以电磁波的形式向周围冷空气辐射热量。总得结果就是相当于暖气片内的热水与室内的冷空气进行了换热或热量传递。显然，通过上述问题分析，导入了换热的基本概念，也理解了满屋子暖和的感觉。

由此，我们可以学到热量传递包括热传导、热对流和热辐射三种基本传热方式以及它们各自的传热机理在实际换热单元操作过程中所表现出的理论意义。

5 结语

通过分析三种传递过程机理，得出了三种传递过程相似的传递现象或必然的内在联系规律，获得的通用表达式加以描述三种传递过程的基本理论，进而形成了化工单元操作中“传递理论”教学研究的理论基础。而单元操作过程中又无处不体现着“三传”的理论基础，表明了“三传”理论与实际单元操作相辅相成、相得益彰的关联效果。因此开展传递过程理论与实际单元操作相耦合的新型教学模式，既可丰富化工原理课程内容体系，还可加强学生理论联系实际能力的培养。