化工原理课程设计教学改革与实践*

靳苗苗，陈桂娥，刘吉波，毛海舫

(上海应用技术大学化学与环境工程学院，上海 201418)

化工原理属于技术基础课，主要介绍了化工、医药、轻工、精细等工业中具有共同特点的单元操作的基本原理、计算方法及典型设备，为学生毕业后从事化工大类生产工作提供化工单元操作的专业基础知识。它主要由理论、实验和课程设计三个教学环节构成。化工原理课程设计是继化工原理理论课程之后的一个综合性设计课程，学生需综合运用化工原理理论知识和相关先修课程所学知识，独立完成以典型单元设备为主的一个实际装置的设计。通过该门课程实践，使学生掌握化工单元设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、阐述与表达、化工制图和计算机辅助设计等方面的能力得到锻炼[1]。同时在设计过程中培养学生树立正确的设计思想和严谨的设计态度。

化工原理课程设计主要教学对象为医药、轻工、精细等化工大类专业大三学生，实践教学环节为一周。以往设计任务一般以换热器或精馏塔单个设备设计为主。教学过程仍以“填鸭式”教学为主：教师逐步讲解计算过程——学生设计计算——编制设计说明书。学生往往按步骤机械完成设计任务，对设计计算过程并不了解，缺乏积极主动性，课程教学过程没有很好地培养学生的工程思维和创新意识。

为了更好地适应高校对应用型人才的培养要求，提高化工原理课程设计的教学效果，本文以《化工单元操作课程设计》[2]教材中的换热器设计任务为例，针对以往化工原理课程设计中存在的一些问题，进行了相关的改革和实践。本文教学实践与改革经验也可为其他设计实践课程提供参考和借鉴。

1 化工原理课程设计传统教学存在的问题

化工原理课程设计在传统教学中主要存在以下几点问题：(1)设计多采用一生一题独立开展设计，师生之间交流较少；(2)设计题目相近，导致设计过程中同质化现象严重，学生容易抄袭，设计积极性不高；(3)学生往往依照模板进行计算，没有真正理解公式的物理意义、适用条件，缺少工程观念，对工程项目设计知识的掌握比较肤浅，设计过程没有很好地培养学生的工程思维；(4)设计过程还采用传统手算，与实际应用联系不够紧密，而实际工程公司设计过程与学生设计过程相差较大；(5)没有很好的挖掘课程思政育人功能。针对上述情况，笔者在指导化工原理课程设计过程中进行了一系列新的尝试，教学效果显著提升，学生收获增多。

2 教学改革与实践

2.1 协同合作与自主设计并重

以往采取的教学过程一般为教师讲解设计过程，布置设计题目，一生一题独立开展设计，学生之间交流讨论很少。作为一门实践课，学生与学生，学生与教师之间的交流非常重要。而且课程设计只有一个星期，时间较短，仅仅靠一个人完成设计任务工作量过大。之前也尝试过3～4人一组完成一个设计题目，但往往会导致组内一些同学只对自己负责的部分内容清楚，缺乏整体设计的大局观，另外也无法遏制部分同学“浑水摸鱼”的现象。

目前教学过程采取“协同合作+自主设计”结合的路线，具体实施过程为：鼓励学生以3～4人为一组的形式，进行换热设计前期文献调研。调研内容包括：不同类型换热器形式，不同换热器适应工况以及优缺点，流动空间选择原则，常见换热器材质，化工常用加热剂、冷却剂等共性的设计问题。团队成员相互合作，各展所能，形成书面成果，并以个人或团体的形式展示，自主完成前期调研任务[3]。在前期调研过程中，教师引导学生查阅图书、期刊、知名化工专业论坛、CNKI等各大电子资源库搜集所需资料，丰富课程设计资源。同时，通过分组调研答辩，不仅能发挥团队优势，培养了组内成员协同合作、互帮互助的精神；在展示答辩之后，教师和学生还可以进行提问，对质疑点进行现场讨论解决，教师在讨论过程中应起到引导的作用，引导学生去查阅文献解决问题。

整个分组调研和汇报答辩过程也即为一个完整的设计前期调研过程，通过上述过程全班同学对换热器设计过程有了一个整体的了解，学生能够很快地实现换热器类别、材质、流动空间、流速等的选择。后期换热器设计选型仍以个人为单位进行，但是通过改变换热物系、介质、操作条件、换热设备形式等使每位学生均有独立任务，避免设计题目的同质化。这样，虽然做的题目均为换热器，学生可以相互讨论一些换热器共性问题，但是每个人题目不同，可参考内容较少，学生积极主动性提高，有效遏制了部分同学“浑水摸鱼”现象，避免了抄袭。

2.2 注重工程思维的培养

化工原理课程设计过程中，用到的知识，主要还是化工原理的知识。但是在化工原理理论教学过程中，授课教师主要讲解化工原理基本原理及计算等，缺乏实际应用方面的教学内容。化工原理课程设计实践环节与理论教学脱节现象严重，导致许多学生对设计计算、公式适用范围、设备标准等一知半解，甚至完全脱离国标规范[4]。比如设计说明书中学生任意选择换热管长度、换热器壳体内径、换热管程数等，而完全不考虑国标规范。意识到上述问题，笔者着重引导学生参照国家标准，同时引发学生思考其内涵，让学生不仅知其然，并且知其所以然，有效培养了学生的工程思维。

比如换热器虽为非标设备，但是一般用在比较固定的工艺流程装置中的换热器可以按标准设备进行设计选型。标准设备的生产制造都是标准化的，生产成本也比较低，如果非要做成一个非标准化的设备，制造的时间长、工艺复杂、设备造价较高。所以在换热器设备选型时，能做标准化的，尽量做标准化。为什么换热器管长不能随意选择？因为市场上的管子是有规格的，随意的长度带来的是材料利用率的降低，导致成本的增加。因此目前换热管常用长度尺寸有1500、2000、3000、6000 mm等。

根据管壳式换热器壳体直径大小的区别，壳体一般有卷制圆筒和钢管制圆筒两种形式。在表述管壳式换热器壳体公称直径时，需要看其是卷制的还是钢管制的，卷制圆筒的以圆筒内直径为换热器公称直径，钢管制圆筒以钢管外径为换热器工程直径。例如钢管制系列直径(外径)有219、273、325、377、426、516 mm等，卷制系列直径(内径)有200、250、300、350、400、450、500、600、700、800、900、1000 mm等。在教师强化工程实际过程、国家标准，并引导学生探寻其内涵之后，学生的设计说明书有了很大改善。

2.3 现代模拟计算软件的应用

随着计算机技术的不断发展进步，现在一般都依靠计算机来辅助完成设计任务，摒弃了传统复杂的人工手算。目前课程设计过程仍以手工计算为主，但是在设计中很多参数需要自行选择，比如换热管长度，换热管程数，壳体直径等。为了获得比较准确的结果，在换热器校核阶段需要反复修改参数。手工计算结果的准确性无法保证，而工艺尺寸反复试算又导致计算工作量非常大。因此，在化工原理课程设计教学过程中引入模拟计算软件是十分有必要的，鼓励学生在课程设计过程中使用Excel、AutoCAD、Aspen Plus等软件。

针对换热器设计计算，传统的换热器计算方法非常复杂，软件设计计算已逐步代替传统手算方法，成为化工工程设计人员的主要设计手段。目前，国内大部分工程公司采用Aspen EDR[5]或HTRI[6]做换热器的工艺计算。换热器模拟计算软件的应用会极大降低试差计算的难度，但是在模拟软件中需要知道计算的先后顺序、设备进出口物料、管程壳程物流以及各类公式的适用范围，如果没有经过手算的历练，学生并不能准确理解软件模块中各个参数的具体含义及取值范围。因此，模拟设计软件的引入不能完全替代手算，应该在手算基础上引入模拟软件，手算和模拟软件计算并重。

同时，工程公司换热器设计思路与学校教学设计思路有很大区别。工程公司进行换热设备设计时，一般选择模拟软件中的换热器校核模式，给定一个换热器的型号，把换热器型号规格等信息输入软件，通过计算得到结果，判断结果是否合理，对不合理的参数进行相应调整，直到调整得到一个合适的换热器为止。比如如果管程压降比较大，可以相应的把管程数减少，比如换热面积不够，可以增大换热器的壳径。通过引入换热器模拟软件，不仅激发了学生的学习兴趣，而且增强了学生解决实际工程问题的能力。而且学习使用这些软件也是学生们今后从事专业相关工作的必备技能，可以有效提高学生就业择业竞争力[7]。同时鼓励特别优秀的学生，继续深入学习化工流程模拟软件Aspen Plus，将其应用到离心泵、精馏塔、吸收塔等设备设计过程中，激发学生学习现代模拟设计软件的热情，为化工设计、毕业设计等后修课程打下基础。

2.4 深入发掘课程思政育人元素

课程都有育人功能。在化工原理课程设计中开展课程思政，可以在潜移默化中对学生进行思政教育，培养学生树立正确的世界观、人生观、价值观。而工程案例教学法是一种常见的课程思政引入方式。工程案例教学法，是在教学过程中，引入工程实际案例，供学生进行分析讨论，可以培养学生的工程思维，提高学生综合能力和解决实际问题的能力[8]。

比如换热器内部流体流速的选择。流速是实际设计中变化较为复杂的一个参数。一般情况下我们希望尽可能地提高换热器内流体流速，因为流速的提升能够提升传热系数，进而有效降低传热面积，在换热器选型时就可以选用面积较小的换热器，减少换热器设备费用。同时流速的提升也能够减少污垢的产生。但流速提升也会影响到流体流动阻力与动力消耗，流动阻力增大有一定的范围，超过一定范围可能会引起换热器泄露，而动力消耗主要是机械能的输入，进而增加设备操作费用。因此在分析结果时就需要综合上述各种情况进行分析，并将设备结构要求也考虑在内。通过换热器内部流体流速的选择，引入设备费用和操作费用的概念，引导学生在选取流速时要综合考虑经济、安全、制造等方面的因素。

再比如污垢热阻，一般工程手册中，污垢热阻往往很小，在化工原理理论课上，计算传热系数有时甚至会忽略污垢热阻。而在工业应用中，污垢热阻是不可忽视的。换热器常用冷却介质有冷却水，其占工业用水总量的70%～80%。节约冷却水是工业节水的关键，将冷却水循环利用并提高设计浓缩倍数，是节水的关键措施。但浓缩倍数的提高会引起严重的水质问题，其中结垢是世界性难题，如不进行有效治理，将严重影响系统运行，并造成能耗的大量增加。换热器污垢如何处理呢？在前期可采用加装除污器、过滤器、净水装置等以减缓结垢；换热器结垢后可采用清洗剂清洗，高压水枪冲洗等等。通过上述入工程案例教学法的引入，可以有效地培养学生的工程观念，提高学生的综合能力和解决实际问题的能力。

3 教学实践成效与展望

通过对化工原理课程设计的教学模式、设计选题、设计手段和课程思政等方面进行改革，学生能够主动查阅相关资料和国家技术标准规范，掌握化工单元操作的基本设计流程，正确选用公式并运用模拟计算软件。培养了学生将所学理论知识运用到解决实际工程问题中的实践能力。同时在教学过程中注重培养学生工程安全及经济意识，以及实事求是的学习态度和认真严谨的工作作风。