曹井國李 霞曹曉樂吳志國王春虎楊宗政

（1.天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津 300457；2.天津大學(xué)藥物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072）

化工原理課程是理工科的基礎(chǔ)課程，也是一門工具學(xué)科，它能幫助科研及工程人員實(shí)現(xiàn)從科學(xué)研究到實(shí)際生產(chǎn)、從理論設(shè)計到現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的跨越。但是，作為一門傳統(tǒng)課程，在教學(xué)過程中學(xué)生普遍反映公式多，難以掌握，此外，在進(jìn)行單元操作學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對課程系統(tǒng)性和整體性理解較差，往往不能主動相互聯(lián)系，被動“灌輸”，教學(xué)效果不好，補(bǔ)考率和掛科率較高。為提高教學(xué)效果，教學(xué)部引進(jìn)了單元操作實(shí)訓(xùn)裝置，構(gòu)建了從小試到中試的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺，已經(jīng)能夠較好的展示化工原理單元操作的完整過程，但由于過于單元化且操作過程相對復(fù)雜，學(xué)生接受程度較差，不容易上手，雖和實(shí)際工程接近，但沒有收到應(yīng)有的教學(xué)效果。

近年來逐漸興起的以項(xiàng)目驅(qū)動為主線的教學(xué)法為解決這一問題提供了新思路。項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)（Project Based Teaching）模式是一種建立在建構(gòu)主義（Constructivism）教學(xué)理論基礎(chǔ)之上的教學(xué)法，同時也是 CDIO（Conceive、Implement、Design、Operate，即構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行）理念所倡導(dǎo)的教學(xué)模式[1-2]。在這一過程中，通過項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)模式來提高學(xué)生綜合素質(zhì)，這為彌補(bǔ)理論和實(shí)踐之間的差距提供了有力工具。

本教學(xué)部探索了項(xiàng)目驅(qū)動法在化工原理教學(xué)中的實(shí)踐和應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，調(diào)動了廣大學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[3]。針對新工科認(rèn)證關(guān)于解決復(fù)雜工程問題的要求，仍需構(gòu)建具有鮮明教學(xué)特色的項(xiàng)目以推進(jìn)項(xiàng)目驅(qū)動法的應(yīng)用，本文以文丘里投藥設(shè)備的研究與開發(fā)為例，介紹本教學(xué)部在化工原理教學(xué)改革方面的經(jīng)驗(yàn)。

一、項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)路線及可行性

以文丘里管投藥設(shè)備作為研發(fā)對象，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)大水面湖泊及寬水面河道的投藥作業(yè)。項(xiàng)目實(shí)施中吸收國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)合城市河道湖泊景觀水體環(huán)境方面等因素，進(jìn)行城市景觀水體原位修復(fù)新型專用投藥設(shè)備的研究與開發(fā)，充分考慮城市景觀水體原位修復(fù)新型專用投藥設(shè)備應(yīng)用的場合，針對設(shè)備投藥過程中的相關(guān)問題進(jìn)行完善并優(yōu)化；在工藝設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成設(shè)備設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和外觀設(shè)計。指導(dǎo)學(xué)生通過方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和裝配設(shè)計，經(jīng)課上學(xué)習(xí)和課下討論、校核，并組織學(xué)生到生產(chǎn)企業(yè)交流，安排樣機(jī)的生產(chǎn)，采購標(biāo)準(zhǔn)件，加工制造非標(biāo)準(zhǔn)件，完成設(shè)備的整體的裝配，通過聯(lián)機(jī)調(diào)試，完成設(shè)備性能的測試，對照已有的工藝設(shè)計及功能要求，反復(fù)修正設(shè)備制造的工藝參數(shù)及功能參數(shù)；通過實(shí)際運(yùn)行，驗(yàn)證產(chǎn)品的投藥效果。

投藥設(shè)備的核心單元采用文丘里原理，在《化工原理》上冊第一章流體流動單元所學(xué)的流體計量設(shè)備，所學(xué)文丘里管是用于流體計量，在第三章固體流態(tài)化和機(jī)械分離，進(jìn)行旋風(fēng)分離器的演示實(shí)驗(yàn)中，采用文丘里管將洗衣粉吸入空氣中，以便于模擬離心沉降過程，學(xué)生根據(jù)《化工原理》流體流動及輸送機(jī)械等知識，在檢索大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行文丘里投藥工藝及設(shè)備的研究與開發(fā)。根據(jù)野外作業(yè)要求設(shè)計任務(wù)，解決文丘里投藥設(shè)備工藝流程和抽吸流量等設(shè)計型問題，通過吸藥和噴灑實(shí)驗(yàn)，修正操作參數(shù)，解決文丘里投藥過程的操作型問題，并通過課堂展示的形式進(jìn)行交流互動。

二、文丘里投藥設(shè)備的工藝流程

學(xué)生通過檢索文獻(xiàn)，根據(jù)化工原理課程相關(guān)知識，基于野外作業(yè)的要求，設(shè)計了文丘里投藥裝置，工藝流程如圖1所示。

圖1 文丘里投藥裝置工藝流程圖

由圖1可知，設(shè)計的工藝流程為，將固體藥劑投入溶藥槽，水泵出水口管的一個支管與溶藥槽相連接，固體藥劑在溶藥槽與來水混合并溶解；水泵出水口管另一個支管輸送出的壓力水，經(jīng)過流量計、壓力表至文丘里管，文丘里管下端設(shè)抽吸管，用于抽吸溶藥槽中的藥劑，抽吸上來的藥劑與壓力水在管道后端混合后，輸送至穿孔管噴頭，通過噴頭向水體中噴灑，達(dá)到藥劑投加的目的。此過程涉及的知識有流體流動和流體輸送機(jī)械，涵蓋管路計算和管路調(diào)節(jié)等。

投藥設(shè)備采用文丘里原理，高速流體流經(jīng)文丘里管時，在文丘里管喉部形成負(fù)壓，從而抽吸溶藥槽中的藥劑，藥劑和壓力水混合后輸送至穿孔管噴頭完成噴灑。文丘里投藥設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是其裝置簡單，操作方便，沒有運(yùn)動部件，體積小，成本低廉而且吸藥溶解均勻；缺點(diǎn)是在吸藥過程中水頭損失相對較大，只有當(dāng)文丘里管的進(jìn)口壓力達(dá)到一定值時才能吸藥，一般的水頭損失為進(jìn)口壓力的1/3左右，工作時對壓力和流量的變化相對較為敏感，其運(yùn)行過程中工況的波動同時會造成藥劑投加量的波動。在教師指導(dǎo)下，項(xiàng)目組同學(xué)搜集了關(guān)于文丘里管原理的資料[4-6]，并調(diào)研多個生產(chǎn)廠家不同規(guī)格的產(chǎn)品，選擇了適合本項(xiàng)目的文丘里管（如圖2所示）。投藥設(shè)備采用揚(yáng)程為50m，流量為8m3/h的柴油機(jī)水泵作為流體輸送機(jī)械，項(xiàng)目組同學(xué)對文丘里管吸藥能力進(jìn)行了理論計算。

圖2 文丘里管

三、文丘里管吸藥能力的計算

根據(jù)現(xiàn)場條件，進(jìn)口管路內(nèi)徑為44mm，流體輸送流量約為8m3/h，運(yùn)行中監(jiān)測文丘里管上游壓力表讀數(shù)約為200kPa，忽略壓力表與管中心線距離，文丘里管喉管和吸藥管直徑均為11mm，吸藥管下端插入儲藥槽中，槽內(nèi)水面到中心線距離為0.5m。截面分析如圖3所示。

圖3 文丘里管截面分析

分別以文丘里管進(jìn)口處、喉管處及吸藥管末端作為研究對象，計算過程如下：

首先以進(jìn)口截面和喉管截面為上下游（1-1和2-2）截面列機(jī)械能衡算式：

式（1）中：z1、z2——進(jìn)口截面和喉管截面處位頭，m水柱；

hf1-2——進(jìn)口截面到喉管截面處水頭損失，m水柱，可忽略；

式中：d1、d2——進(jìn)口截面和喉管截面處直徑，m；

即理論上可以產(chǎn)生5.8m水柱的真空度，由上述計算結(jié)果可知，喉管處負(fù)壓與進(jìn)口壓力及喉管處流速關(guān)系密切，微小變化就能引起極大的差異。

以儲槽液面和管中心截面為上下游截面 （3-3、4-4）列機(jī)械能衡算式，有：

公式（2）中：z3、z4——儲液槽液面和管中心處位頭，m水柱；

hf3-4——進(jìn)口截面到喉管截面處水頭損失，可忽略；

已知 z3=0，z4=0.48m，p4=p2，u3=0， 計算得 u3=3.25m/s，吸藥管流量為：

通過課上討論及課下作業(yè)，安排全體學(xué)生對本部分內(nèi)容進(jìn)行了計算，通過講解，使學(xué)生對文丘里管的特征尺寸的計算有了更直接的認(rèn)識，對化工原理中的機(jī)械能衡算式應(yīng)用，特別是截面選取、連續(xù)性方程有了更為深入的認(rèn)識。

四、文丘里管吸藥能力的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文丘里管的吸藥能力，在教師指導(dǎo)下，由項(xiàng)目組同學(xué)設(shè)計了三組實(shí)驗(yàn)，將鎖磷劑粉末配置為5%、10%、20%的3種濃度藥劑，裝入2L的塑料瓶中，按設(shè)計高度擺放，對吸藥完成時間進(jìn)行計時，計算抽吸流量，操作時控制文丘里管入口流量為8m3/h，入口壓力約為200kPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 液體藥劑投加實(shí)驗(yàn)

由表1可知，文丘里管吸藥實(shí)驗(yàn)過程中，在藥劑濃度分別為5%、10%和20%情況下，液體藥劑的吸上流量分別為18.0L/min、17.6L/min和17.5L/min，對應(yīng)固體藥劑投加量分別為9kg/min、1.76kg/min和3.5kg/min，當(dāng)藥劑濃度為20%時，投藥量可達(dá)到設(shè)計要求。之后，在文丘里管出口管路上安裝橫向穿孔管，對噴灑效果進(jìn)行了觀察，如圖4和圖5所示。

圖4 加藥裝置

圖5 噴藥實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，由于穿孔管穿孔面積小，導(dǎo)致阻力損失較大，在穿孔管前端壓力較高，導(dǎo)致文丘里管吸液量減少，項(xiàng)目組同學(xué)研究后，決定將穿孔管打孔直徑由3mm擴(kuò)增到5mm，平衡吸液量和投藥量之間的關(guān)系，結(jié)果表明，噴灑距離可達(dá)1-2m，滿足設(shè)計要求。之后，由外聘的兩名工程師進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)際投藥效果，試驗(yàn)在天津市東麗區(qū)某池塘進(jìn)行，其現(xiàn)場投藥效果如圖6所示。

圖6 實(shí)地投藥試驗(yàn)

柴油泵和溶藥箱總重約為150kg，運(yùn)行重量約為300kg，由圖6可知，投藥裝置能夠安放到橡皮船中，在湖泊或河道內(nèi)移動，由兩人操作，可實(shí)現(xiàn)藥劑的噴灑，能夠滿足設(shè)計要求。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在解決操作性問題的同時，項(xiàng)目組的同學(xué)們對課程的理解更為扎實(shí)，學(xué)生們的動手能力和解決實(shí)際問題的能力得到了較好的鍛煉，并獲得了成就感，堅定了學(xué)好本門課程的信心。通過課堂展示的形式，將項(xiàng)目設(shè)計過程和操作過程與同學(xué)們分享和交流，進(jìn)一步提高了學(xué)生的表達(dá)能力，課堂氣氛活躍，提高了其他同學(xué)對于本部分知識的理解，輻射作用效果明顯，為進(jìn)一步開展項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

五、結(jié)束語

在課題實(shí)施過程中，先后共有2批次共8名在校大三本科學(xué)生組隊(duì)參與了本項(xiàng)目。在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，結(jié)合所學(xué)化工原理知識，系統(tǒng)地進(jìn)行了產(chǎn)品的工藝設(shè)計、文丘里吸藥管的計算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和產(chǎn)品調(diào)試運(yùn)行等過程，通過實(shí)際項(xiàng)目的訓(xùn)練，在項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)思路下，使學(xué)生深刻理解設(shè)計型問題和操作型問題，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，動手操作，理論聯(lián)系實(shí)際，鞏固了流體流動和輸送機(jī)械的相關(guān)知識。

采用項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法，有助于加深學(xué)生對所學(xué)化工原理知識的理解，提高系統(tǒng)性和完整性，領(lǐng)會設(shè)計型問題和操作型問題的區(qū)別，加深理論聯(lián)系實(shí)際的認(rèn)識。通過資料檢索使學(xué)生們帶著問題有目的的去檢索關(guān)于文丘里管應(yīng)用方面的資料，從而深入理解了文丘里的原理，拓展了學(xué)生的知識面；通過工藝設(shè)計理論計算環(huán)節(jié)，使學(xué)生對文丘里管的特征尺寸的計算有了更直接的認(rèn)識，對化工原理中的機(jī)械能衡算式應(yīng)用、連續(xù)性方程應(yīng)用和截面選取等知識內(nèi)容進(jìn)行了鞏固。在實(shí)驗(yàn)操作和產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)還能培養(yǎng)學(xué)生們的動手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。通過以上各個環(huán)節(jié)的訓(xùn)練使學(xué)生主動學(xué)習(xí)相關(guān)知識并靈活應(yīng)用，最終得到自己設(shè)計出的產(chǎn)品，獲得成就感，增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心。

本項(xiàng)目基于流體流動及輸送機(jī)械原理進(jìn)行設(shè)計、實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行，與化工原理課程結(jié)合緊密，該項(xiàng)目實(shí)施過程，涉及到化工原理課程多個知識點(diǎn)，有助于學(xué)生對課程的理解，綜合解決設(shè)計型問題和操作型問題，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力，適合作為項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法下的教學(xué)案例，基于此形成的成果還可作為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽的素材，發(fā)揮化工原理課程的應(yīng)用和創(chuàng)新價值。