化工原理课程设计的专创融合教学改革与实践

于 杰，吕 丹，赵培余，吴晓艺，李燕妮

(沈阳工业大学环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110870)

专创融合教学旨在培养具有创新精神、符合社会需求的高素质人才，在专业课程的教学过程需找到适合的切入点，并以此为基础，在各个教学阶段进行连续性培养，以达到培养目标[1-2]。化工原理是化工类专业最重要的专业基础课，课程设计是化工原理基础知识和基本理论课程后的一次重要的实践教学环节[3-6]。目前，在化工原理课程设计教学过程中，很多高校工艺过程计算中还需要学生采用手工计算，大量的手工计算会耗费学生过多的时间，一旦中间步骤有计算错误，会影响后续的设计，因此，学生对化工设计难免会产生畏难心里[4]。已经举办多年的全国大学生化工设计竞赛是化工类专业的最高级别赛事，作为培养学生动手能力、解决问题能力、创新能力以及实践能力的最佳途径，已经受到国内各高校的广泛关注[7]。在完成该竞赛内容的过程中，需要使用过程模拟软件Aspen Plus进行模拟计算，并利用AutoCAD软件绘制二维和三维设备及厂区布置图等。因此，我们就以化工原理课程设计为切入点，从引导学生使用Aspen Plus模拟软件及AutoCAD绘图软件入手，培养学生使用先进设计工具，利用软件中的单元操作模型进行设备设计计算，并用AutoCAD软件绘制课程设计内容要求的工艺流程图和主体设备条件图。采用专创融合教学的理念，在完成课程教学的基础上，锻炼了学生使用Aspen Plus模拟软件及AutoCAD绘图软件的能力，同时，以赛促学，提高了学生们学习的积极性。

1 化工原理课程设计专创融合的教学模式及实施计划

专创融合教学需要以专业知识作为基础，创新创业教育作为有力补充，才能达到有效的专创融合教学目标。

化工原理课程设计课程的改革主要从两方面入手，其一是将化工原理课程设计课程与全国大学生化工设计竞赛结合，熟悉化工设计竞赛内容及要求；其二是将过程模拟软件和绘图软件的使用引入化工原理课程设计中，将传统的工艺过程手工计算和手工绘图与现代电算相结合，提升学生电算和计算机绘图的水平，适应现代化工设计需要；三是制定规范设计内容和评分原则，评分过程透明化，保证公平的基础上，提前为学生参加全国大学生化工设计竞赛做好准备。这些过程的实施需要学生具有扎实的基础，因此，在化工原理课程设计的教学过程中，有效利用各个教学环节，逐步将过程模拟软件和计算机绘图知识与课程设计教学内容相结合。以全国大学生化工设计竞赛为主体的专创融合教学模式的基本结构如图1所示。

图1 专创融合教学模式基本结构图

2 化工原理课程设计课程实践

在化工原理课程设计课程上，我们将学生按照化工设计大赛的组队形式进行分组，5个人一组，每组选出一名队长，负责整个队伍的组织与协调。

课程设计的选题和内容主要来源于全国化工设计竞赛。大赛题目每年均不同，大赛选题与生产实际密切相关，有利于激发学生的学习兴趣和勇于挑战自我的精神。化工原理课程设计课程时长为两周，教师根据学生理论课程的学习情况选择适合的设计课程内容，每组5人做一个体系的内容，每个人的原料处理量不同。设计的课程内容以精馏塔或填料塔为主，同时可以对换热器进行选型。在化工原理课程上，教师将换热器、精馏塔、填料塔设计的原理及方法进行讲解，让学生提前了解课程设计需要掌握的理论知识。在化工原理课程设计正式进行前，教师将要使用的Aspen Plus软件及CAD软件的安装方法以视频或文件的形式传达给学生，让学生提前安装软件并熟悉界面使用。化工原理课程设计开始，教师首先向学生发布设计任务，将每组学生的设计内容及要求交给队长，由队长进行分配具体任务。Aspen Plus软件是一个功能强大的通用过程软件，尽管其具有友好的用户界面和丰富的帮助系统，但如果没有前期基本原理的培训与学习，学生学习使用该软件会具有相当的难度。因此，在课程设计的教学中，教师先对学生进行基本原理的培训，并向学生演示如何完成一个换热器设计的模拟案例。教师演示的同时进行同步解说，制作演示视频，同学通过观看，自行模拟练习操作，熟悉操作过程。软件培训结束后，学生开始分组进行课程设计任务。任务要求学生要按课程设计题目查找可行性论证，设计换热器的相关计算用Aspen Plus软件完成。考虑到学生初次使用Aspen Plus软件，可能存在一定的难度，学生也可以先进行手工设计计算，然后再使用Aspen Plus软件模拟计算，最后按照任务要求整理化工原理课程设计任务书。

在绘制图纸方面，要求学生手工绘制与计算机CAD软件绘制相结合。考虑到学生绘图的基本功较差，绘图过程中不够注重细节，需要通过手绘锻炼学生的基本功。同时，计算机CAD软件绘图作为现代作图非常重要的一个工具，也是学生必须要掌握的重要内容，因此，我们采取手绘和计算机CAD软件绘图相结合的手段，让学生先手绘设备条件图，经检查合格后，再通过CAD软件绘制一张电子版的设备条件图和一张工艺流程图。

采用专创融合的教学方法，学生完成课程设计的工作量比传统教学方法大很多，但也大大激发了学生学习探索的精神，任务书和图纸的质量较往届都有所提高。同时，学生掌握了Aspen Plus软件计算和CAD软件绘图的基本方法，为参加全国大学生化工设计竞赛打下基础。

3 课程设计内容及评分细则标准化

以竞赛为引导，以创新教育为目标，是化工原理课程设计课程教学的基本指导方针。在实现过程中，以全国大学生化工设计竞赛为目标，梳理和完善化工原理课程设计内容要求，制定评分细则标准，提升学生课程设计水平，实现以专业知识为基础，创新创业教育为目标的教学、实践模式。

3.1 课程设计内容

3.1.1 化工工艺设计

化工工艺设计包括设计方案确定、主要设备的工艺设计计算(设计工艺参数的选定及依据、系统的物料衡算、产品收率及原料耗用量计算)、系统的热量衡算、加热冷却剂耗用量计算、 主要设备的工艺尺寸设计计算或校核计算、系统流体力学性能计算、主要设备的流体压降损失计算、典型辅助设备(如风机、泵、换热器、贮罐等)主要工艺尺寸或参数的确定、设备规格及型号的选定等。

3.1.2 设计说明书编写

设计说明书是将所完成的课程设计予以综合简介、并对设计给予评述。内容包括设计任务书、目录、设计方案简介与评述、工艺设计及计算、主要设备设计、辅助设备选型计算、设计结果汇总表、工艺指标与技术经济指标简介、参考资料等。

3.1.3 图 纸

带控制点工艺流程图(用示意图表示单元操作所有主体设备及辅助设备，标出物流量(或能流量)、物流向、控制阀门，以及温度、压力控制点的控制标记)、主体设备条件图(包括设备总体结构设计、设备的主要工艺尺寸、设备技术特性表、设备接管表(规格和用途)、设备零部件明细表)。

3.2 评分细则标准化

针对课程设计内容，分别给出了说明书、Aspen Plus模拟计算和AutoCAD绘图评分细则。

3.2.1 设计说明书评分细则(换热器设计)(20分)

(1)设计内容符合标准，设计要求主要章节满足HG/T20688-2000标准的要求，项目总分(1分)。

(2)设计工艺方案论证设计细节要求：

①列出常用工艺技术方案(0.2分)；

②画出流程简图(0.2分)；

③不同技术方案能耗、环保、安全、流程繁简等方面的文字说明(0.6分)；

④综合分析比较得出本选用的工艺技术方案及选用理由(1分)。

(3)给出设计条件，根据Aspen工艺计算结果，给出工艺参数，如管程和壳程的设计压力、设计温度、介质名称、组成和流量、换热面积、选用材质、污垢热阻等，设计细则要求：

①管程和壳程压力(0.5分)；

②设计温度(0.5分)；

③介质名称(0.5分)；

④组成和流量(1.0分)；

⑤换热面积(1.0分)；

⑥选用材质(0.5分)；

⑦污垢热阻(0.5分)；

⑧其它相关参数(0.5分)。

(4)结构参数设计，设计要求选型或设计，给出校核后的结果，如换热器结构形式、折流板形式和间距、壳程直径、换热管直径及计算长度、接管尺寸及方位等。设计细则要求：

①根据校核给出换热器形式(1分)；

②折流板形式和间距(1分)；

③壳程直径(1分)；

④换热管直径及长度(1分)；

⑤接管尺寸及方位(0.5分)；

⑥其它相关参数(0.5分)。

(5)强度计算设计要求对设备筒体壁厚、封头壁厚、管板厚度进行设计，并对设备法兰进行复核。设计细则要求为：

①设备筒体壁厚(1分)；

②封头壁厚(0.5分)；

③管板厚度(0.5分)；

④设备法兰复核(0.5分)；

⑤其它相关参数(0.5分)。

(6)过程节能及环境保护，参考《深度规定》，设计细则要求为：

①能源选择合理分析(1分)；

②有节能措施(0.5分)；

③有废气、废液排放及处理方案(0.5分)；

(7)设计结果汇总及参考资料(2分)。

3.2.2 Aspen Plus模拟软件计算评分细则(换热器设计)(20分)

设计内容及要求：

(1)流程模拟通过，对换热器进行了详细设计(2分)；

(2)换热器流态合理，传热系数包括污垢热阻、换热面积满足要求(4分)；

(3)换热器内冷热流股的流态均应为湍流，否则扣分(-2/台)(3分)；

(4)传热系数基于传热膜系数、固壁热阻和污垢热阻(输入合理经验值)计算，否则扣分(-2/台)(4分)；

(5)实际传热面积应比计算面积大30-50%，否则扣分(-2/台)(4分)；

(6)换热器压降合理(3分)。

3.2.3 CAD图纸评分细则(换热器设计)(20分)

设计内容及要求：

(1)格式规范性要求：

①图框内容完整(2分)；

②图标、图线、文字高度符合要求(2分)。

(2)内容正确性与完整性要求：

①流程结构符合要求(4分)；

②单元控制逻辑正确(4分)。

(3)设备装配图要求：

①设备及尺寸标注正确(4分)；

②空间布局合理无冲突(4分)。

4 结 语

通过上述化工原理课程设计的深层次改革，学生对化工过程模拟软件和绘图软件的使用等计算机应用技能得到真正有效的提高，即掌握了以化工单元操作为主的工程设计的内容方法，也为后续参加全国大学生化工设计竞赛打下坚实基础，经过电算、CAD绘图、标准化评分训练，学生也为将来进行全流程模拟、车间布置设计、装置总体设计等做好了准备。在专创融合的教学过程中，对教师要求也有提高，不仅需要教师在课程教学中教授专业知识，同时还需要将创新理念融合到教学过程中，在指导学生参加全国大学生化工设计竞赛的同时，也需要教师能及时了解所需的电算、CAD绘图及三维渲染图等最新知识、技术，因此，专创融合的教学模式也督促教师不断学习和实践，以便能更好的指导学生进行创新实践，同时也有效提高了教师的业务能力，达到了教学相长的效果。