李學(xué)慧 吳正舜 陳義鋒 伍強(qiáng)賢

(華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430079)

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)除傳授基本化工知識(shí)外，更重要的是教授學(xué)生如何用所學(xué)的知識(shí)解決化工生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生具有從事科學(xué)研究和產(chǎn)品開發(fā)的初步能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，使學(xué)生初步掌握一些有關(guān)化學(xué)工程學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)[1-2]，這是這門課程的最大特色。本文從化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，談如何通過(guò)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)研究工作所具有的基本素質(zhì)，如數(shù)據(jù)處理能力，觀察事物以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力

近幾年來(lái)，我院化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)過(guò)了全面更新，對(duì)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)行了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，學(xué)生只需要按幾個(gè)按鈕就可以輕松完成實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)完成后如何進(jìn)行數(shù)據(jù)處理卻不是容易的事。如有些實(shí)驗(yàn)是常規(guī)性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如流體阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系、離心泵特性曲線的測(cè)定以及傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。在這些實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一方面可以鞏固和加深對(duì)課堂所學(xué)基本概念和基本原理的理解；另一方面還能提高數(shù)據(jù)處理能力；同時(shí)還能了解常規(guī)數(shù)據(jù)處理軟件如Origin、Matlab以及Polymath的應(yīng)用，為以后從事科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)。

在離心泵性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了不同流量(Q)下的揚(yáng)程(H)、功率(W)以及效率(Ita)，由于揚(yáng)程、功率以及效率之間的數(shù)量級(jí)關(guān)系不同，如要在同一個(gè)圖中反映它們與流量之間的關(guān)系，就要求學(xué)生清楚Origin軟件的雙Y軸畫圖功能，通過(guò)右Y軸的右偏移即可達(dá)到上述目的。例見圖2的離心泵性能曲線。

圖1 阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

圖2 離心泵特性曲線的測(cè)定

在傳熱實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得到不同空氣流量下，通過(guò)蒸汽傳熱后的進(jìn)出口溫度，并可通過(guò)查閱手冊(cè)、工具書獲得相關(guān)物性數(shù)據(jù)，進(jìn)而算出不同空氣流量下光滑傳熱管與粗糙傳熱管的努塞爾數(shù)(Nu)、雷諾數(shù)(Re)以及普朗特?cái)?shù)(Pr)；然后在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，通過(guò)線性回歸分析，可以得到Nu、Re以及Pr之間的關(guān)系(圖3)。

圖3 傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

此外，在化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，如何分析判斷所測(cè)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確與否非常重要，但很多實(shí)驗(yàn)要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，才能知道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確合理。這就要求學(xué)生必須熟練掌握實(shí)驗(yàn)所涉及的知識(shí)原理。

類似問題還出現(xiàn)在精餾實(shí)驗(yàn)中。對(duì)于部分回流時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中回流液的溫度難以保證剛好在泡點(diǎn)下回流，通常是在過(guò)冷液體狀態(tài)下回流，這樣對(duì)于塔內(nèi)真正的回流量要比實(shí)際控制的回流比大，即回流入塔的過(guò)冷液體會(huì)將部分上升的蒸汽冷凝下來(lái)，變?yōu)橐后w向下回流，相當(dāng)于增大了塔內(nèi)的回流量，使精餾段的操作線遠(yuǎn)離平衡線，增加了氣液相的傳質(zhì)推動(dòng)力，有利于傳質(zhì)。在相同的塔板數(shù)下，此結(jié)果將導(dǎo)致塔頂易揮發(fā)組分濃度加大。

對(duì)于這些問題的分析與討論，不僅要求學(xué)生會(huì)做實(shí)驗(yàn)，還要求學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中去發(fā)現(xiàn)與所學(xué)的理論知識(shí)表面上看似有矛盾的問題，再通過(guò)仔細(xì)分析，找到答案。這樣不僅能鞏固所學(xué)的知識(shí)，還能在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提高分析問題與解決問題的能力。

2 加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)及其相互聯(lián)系的了解

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課對(duì)理工科學(xué)生很重要，其目的不僅是傳授化工知識(shí)，更重要的是改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)的模式，不僅能提高學(xué)生的動(dòng)手能力，而且有助于加深對(duì)理論課的理解，增加對(duì)所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)以及知識(shí)間相互聯(lián)系的了解。如在物理化學(xué)課程中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)相圖及相律，也做過(guò)不少習(xí)題，但應(yīng)用到化工基礎(chǔ)精餾實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，大部分學(xué)生對(duì)于如何利用已學(xué)的相圖知識(shí)來(lái)確定對(duì)應(yīng)的塔頂以及塔底的氣、液相組成卻不是很清楚，其主要原因是缺乏對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

對(duì)于二組分精餾分離，其自由度為2，當(dāng)操作壓力以及對(duì)應(yīng)操作的溫度已知時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該是唯一確定的。如在蒸餾實(shí)驗(yàn)中，若實(shí)驗(yàn)過(guò)程中塔頂氣相溫度t1以及塔底液相溫度t2為已知溫度，操作壓力為常壓，則利用安托因方程，通過(guò)相平衡方程即可確定被分離組分在塔頂氣相以及塔底液相的組成(表1)。對(duì)于上述系統(tǒng)的計(jì)算，實(shí)際上就是所謂露點(diǎn)計(jì)算和泡點(diǎn)計(jì)算問題。

表1 被分離組分的安托因常數(shù)

(1)

對(duì)于塔頂氣相組成的計(jì)算可按露點(diǎn)計(jì)算進(jìn)行，因氣相溫度及操作壓力已知，由相平衡方程有：

yi=kixi

(2)

且氣、液相組成滿足歸一方程：

(3)

對(duì)于理想體系，相平衡常數(shù)為：

(4)

式中p為系統(tǒng)操作壓力。代入式(3)有：

(5)

(6)

式中各組分的安托因常數(shù)以及操作壓力p和對(duì)應(yīng)的塔頂氣相溫度t1均已知，通過(guò)式(6)即可計(jì)算出塔頂?shù)臍庀嘟M成y1，也即餾出液的組成。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)塔頂溫度為80.5℃時(shí)，通過(guò)Polymath軟件計(jì)算可得到對(duì)應(yīng)的塔頂餾出液組成為y1=0.9184。

(7)

(8)

式中各組分的安托因常數(shù)以及操作壓力p和對(duì)應(yīng)的塔底液相溫度t2均為已知，通過(guò)式(8)即可計(jì)算出塔底液相組成x1。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)塔底溫度為86℃時(shí)，通過(guò)Polymath軟件即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的塔底組成為x1=0.4498。

3 將計(jì)算機(jī)引入實(shí)驗(yàn)課堂

圖4 化工基礎(chǔ)吸收仿真實(shí)驗(yàn)界面圖

由于初涉化學(xué)工程領(lǐng)域的學(xué)生對(duì)化工過(guò)程及設(shè)備缺乏必要的感性認(rèn)識(shí)，不易理解化工過(guò)程的機(jī)理、復(fù)雜設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及物流的內(nèi)部狀態(tài)，更談不上提高創(chuàng)新能力。而將計(jì)算機(jī)引入實(shí)驗(yàn)課堂，通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，采用Flash軟件開發(fā)的化工基礎(chǔ)動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)軟件(圖4)，可以在做實(shí)驗(yàn)之前，先通過(guò)動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)了解實(shí)驗(yàn)的基本原理、認(rèn)識(shí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置和掌握實(shí)驗(yàn)操作步驟，并對(duì)如何處理測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一個(gè)初步的了解，從而可減少實(shí)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因誤操作導(dǎo)致的對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的盲目性。此外，引用仿真實(shí)驗(yàn)軟件，可以利用多媒體技術(shù)演示化工設(shè)備的工作原理、化工單元操作的工藝流程以及設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3-4]。學(xué)生對(duì)所學(xué)的內(nèi)容可有身臨其境的感覺，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化工實(shí)驗(yàn)課程的積極性。同時(shí)，通過(guò)仿真虛擬化工實(shí)驗(yàn)還可使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng),儀器各部分的名稱、用途,以及要記錄的數(shù)據(jù)有初步的了解。

另外，將計(jì)算機(jī)引入實(shí)驗(yàn)課堂，還可以使學(xué)生在計(jì)算機(jī)語(yǔ)言課程中所學(xué)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言得以應(yīng)用。一方面可解決化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中有些需要編程求解的問題，另一方面，學(xué)生在用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的過(guò)程中，能嘗到成功的滋味，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

4 培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力

由于化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備與普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，通常比較昂貴，而且占地面積大，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要測(cè)定的數(shù)據(jù)比較多，往往一個(gè)學(xué)生既要操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備又要記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，難以同時(shí)完成，這就要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)組成員之間分工協(xié)作、團(tuán)結(jié)互助來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這個(gè)過(guò)程，可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，這在科研工作中是非常重要的。

5 結(jié)論

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課是用所學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際問題的一門實(shí)踐性與應(yīng)用性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生作圖能力、數(shù)據(jù)處理能力以及觀察事物、發(fā)現(xiàn)問題、分析和處理問題的能力，為學(xué)生以后從事科學(xué)研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，有助于加深對(duì)理論課的理解，增加對(duì)所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)；此外，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生還能將所學(xué)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言應(yīng)用于化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，并了解目前化工過(guò)程中常規(guī)的數(shù)據(jù)采集單元與監(jiān)控原理。

參 考 文 獻(xiàn)

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[3] 錢運(yùn)華,胡濤,吳彩金,等.高教論壇,2007(2):59

[4] 李磊.廣東化工,2008,35(3):101