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1傳熱單元操作的案例教學(xué)

1.1開(kāi)篇案例對(duì)于傳熱單元操作，可采用學(xué)生熟悉的氨的合成中脫除二氧化碳的生產(chǎn)工藝作為開(kāi)篇案例。氨的合成中二氧化碳脫除的傳統(tǒng)流程如圖1所示[8]。一氧化碳變換后的原料氣經(jīng)吸收塔底部的氣體分布管加入吸收塔，在塔內(nèi)與碳酸鉀吸收劑進(jìn)行洗滌，出塔凈化氣經(jīng)分離器把氣體夾帶的液滴分離后進(jìn)入下一工段。吸收液由吸收塔底部引出，經(jīng)水力透平減壓后進(jìn)入再生塔頂部。在再生塔頂部，溶液閃蒸出部分水蒸氣，然后沿塔向下流，在塔內(nèi)與再沸器加熱產(chǎn)生的蒸汽逆流接觸，同時(shí)被蒸汽加熱到沸點(diǎn)并放出殘余的二氧化碳。而再生出來(lái)的碳酸鉀溶液經(jīng)冷卻器冷卻之后并經(jīng)泵加壓后進(jìn)入吸收塔頂部循環(huán)使用。選用此工程案例作為開(kāi)篇案例是基于下述三個(gè)原因：（1）我校的化工原理是在大二下學(xué)期開(kāi)設(shè)。此前學(xué)生已到云峰合成氨廠進(jìn)行了生產(chǎn)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，對(duì)此工程案例比較熟悉，能較好的引起學(xué)生的興趣；（2）該生產(chǎn)案例中，涉及到三類換熱器（再沸器、冷卻器、冷凝器），與教學(xué)目標(biāo)吻合較好；（3）該案例中，化工原理與化工工藝學(xué)緊密結(jié)合。提出此生產(chǎn)案例后，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生簡(jiǎn)述整個(gè)脫碳過(guò)程，并引導(dǎo)學(xué)生思考該生產(chǎn)過(guò)程中這些換熱器的作用，流體之間的換熱方式。然后，請(qǐng)學(xué)生歸納總結(jié)、教師補(bǔ)充說(shuō)明加以延伸，即可完成開(kāi)篇內(nèi)容：（1）換熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用，（2）換熱器的類型，（3）冷熱流體換熱方式。之后，提出兩個(gè)問(wèn)題留給學(xué)生思考：一是如何根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)或選擇一臺(tái)換熱器。二是這些換熱器使用時(shí)間長(zhǎng)了，換熱效果不好了，怎么辦。這些問(wèn)題將在后續(xù)章節(jié)逐一解決。

1.2問(wèn)題案例問(wèn)題案例法，即教學(xué)中講授某一知識(shí)點(diǎn)前先列舉出工程中存在的實(shí)際問(wèn)題，分析該問(wèn)題產(chǎn)生的原因及解決該問(wèn)題的方法，再引出知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方法。傳熱一章涉及知識(shí)點(diǎn)較多，講授時(shí)可采用問(wèn)題案例法逐一進(jìn)行。例如，對(duì)于保溫層的厚度問(wèn)題，許多學(xué)生會(huì)習(xí)慣性的認(rèn)為厚度越厚越好。為改變學(xué)生的習(xí)慣性思維，即可列舉如下實(shí)例進(jìn)行教學(xué)。假設(shè)一鋼管規(guī)格，鋼管外壁溫度環(huán)境溫度鋼管外包熱導(dǎo)率為的保溫材料，以減少熱損失。已知保溫層外表面與環(huán)境的對(duì)流傳熱系數(shù)為保溫層與鋼管接觸良好。求保溫層厚度分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm時(shí)，每米管長(zhǎng)的總熱阻及熱損失。為節(jié)約時(shí)間，可將3-5位學(xué)生分為一組，每小組計(jì)算1個(gè)保溫厚度對(duì)應(yīng)的總熱阻和熱損失。計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1的數(shù)據(jù)顯示，在題設(shè)條件下保溫層厚度由10mm增至30mm時(shí)，總熱阻逐漸減小、總熱損失逐漸增大；當(dāng)保溫層厚度從30mm增至70mm時(shí)，總熱阻逐漸增大、總熱損失逐漸減小。則保溫層厚度從10mm增至70mm時(shí)，總熱阻和總熱損失均存在一個(gè)拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的總熱阻最小、熱損失最大。此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的保溫層厚度稱為保溫層的臨界厚度。計(jì)算表明，上述題設(shè)條件下的臨界保溫層厚度為28mm。原因可由熱損失公式（其中為熱阻）可知，當(dāng)保溫層厚度增大時(shí)，一方面是導(dǎo)熱熱阻增加，另一方面是對(duì)流傳熱熱阻減小，因此保溫層厚度存在臨界厚度。當(dāng)保溫層厚度小于其臨界厚度時(shí)，隨著厚度的增加，總熱阻減小、總熱損失增大；在此期間增加保溫層厚度并非是越厚越好。當(dāng)保溫層厚度大于其臨界厚度時(shí)，隨著厚度的增加，總熱阻增大、總熱損失減小。鑒于經(jīng)濟(jì)和管道體積的考慮，實(shí)際生產(chǎn)中需通過(guò)計(jì)算，再選取合適的保溫層厚度。

1.3綜合案例綜合案例法即在每章（或每個(gè)單元操作）的結(jié)尾，列舉出該單元操作的工程設(shè)計(jì)（或工程改造）實(shí)例，提出需要解決的工程問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生綜合利用本單元操作所學(xué)知識(shí)，解決該工程設(shè)計(jì)（或工程改造）問(wèn)題。在傳熱單元操作講解的最后一堂課，提出如下生產(chǎn)案例：在某化工產(chǎn)品的生產(chǎn)裝置中，混合液在分解塔中進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，放出大量的熱量。若不及時(shí)移走，分解塔內(nèi)溫度將繼續(xù)上升，會(huì)產(chǎn)生過(guò)量焦油。這不但會(huì)使產(chǎn)品質(zhì)量下降，堵塞管道，甚至造成事故。國(guó)內(nèi)該類生產(chǎn)裝置大都采用蒸發(fā)冷卻的方式轉(zhuǎn)移反應(yīng)熱（即塔內(nèi)溫度靠液體自身蒸發(fā)來(lái)維持，一般維持在88℃左右）。也有部分工廠采用外循環(huán)冷卻的方式（將塔內(nèi)液體用泵抽出，經(jīng)塔外一雙管程換熱器用冷卻水冷卻后循環(huán)回分解塔）轉(zhuǎn)移反應(yīng)熱。所用換熱器主要參數(shù)為：殼徑1m，雙管程，換熱管，換熱管根數(shù)370根，總傳熱面積100m2。該廠欲將塔內(nèi)溫度降至60℃，這一改變要求冷卻器熱負(fù)荷增至4×105kJ/h。將此案例加以描述和說(shuō)明后，讓學(xué)生對(duì)這一案例提出實(shí)際的解決辦法。根據(jù)班級(jí)學(xué)生數(shù)，將學(xué)生按5-7人一組，課堂上用10-15min時(shí)間進(jìn)行分組討論。之后，小組派代表闡述解決方案，其它小組可質(zhì)疑和提問(wèn)。經(jīng)小組討論，教師點(diǎn)評(píng)，最終形成如表2所示的四種方案。經(jīng)分析可知，得出方案D是可行的。得到這一結(jié)論并不意味著案例分析就結(jié)束了。最后也是最重要的一步，是教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納出具有普遍規(guī)律的理論知識(shí)，也就是“從例到理”。此案例表明，考察一臺(tái)換熱器的工作能力不能單純只考慮其傳熱面積，傳熱面積和總傳熱系數(shù)的乘積KA才能真正代表一臺(tái)換熱器的工作能力。因?yàn)榇嬖谌缦玛P(guān)系：A↑—管數(shù)↑或者殼體體積↑—流速↓—傳熱系數(shù)↓。因此，列管換熱器的K和A值之間往往存在“此漲彼消”的關(guān)系。傳熱面積過(guò)大往往由于流體流量的“不匹配”而導(dǎo)致K值降低，換熱效果降低了。

2案例教學(xué)的啟示

案例教學(xué)在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。一個(gè)好的案例一定要源于生產(chǎn)和生活，又不能脫離教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)。案例中既包含對(duì)實(shí)際問(wèn)題的描述，又暗含一定的科學(xué)問(wèn)題，讓學(xué)生參與分析并解決此實(shí)際問(wèn)題。案例教學(xué)不但可使學(xué)生快速鞏固理論知識(shí)，還培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。采用案例教學(xué)時(shí)，要正確處理好案例教學(xué)與理論教學(xué)的關(guān)系。案例教學(xué)只是眾多教學(xué)方法中的一種，不能用案例教學(xué)完全替論教學(xué)，而應(yīng)在一定的理論基礎(chǔ)上加以實(shí)施。案例教學(xué)中，應(yīng)注重以學(xué)生為主體，讓全體學(xué)生參與問(wèn)題的分析與解決，最終總結(jié)歸納得出具有普遍規(guī)律的理論知識(shí)，做到“從例到理”，使學(xué)生明白理論知識(shí)源于實(shí)踐。當(dāng)學(xué)生掌握了理論知識(shí)后，又要從理論的高度重新審視工程案例，做到“從理到例”，培養(yǎng)學(xué)生理論指導(dǎo)實(shí)踐的方法。真正實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為主體，以能力培養(yǎng)為核心”的實(shí)踐教學(xué)理念。

3結(jié)語(yǔ)

案例教學(xué)的引入可彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但案例的選擇要恰當(dāng)，且處理好案例教學(xué)與理論教學(xué)之間的關(guān)系。不同的課程，采用的案例教學(xué)方法不同。針對(duì)化工原理課程教學(xué)的特點(diǎn)，可采用開(kāi)篇案例、問(wèn)題案例、綜合案例法。開(kāi)篇案例能使學(xué)生明白該單元操作在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用、采用的設(shè)備及分類、需要解決的問(wèn)題，使學(xué)生對(duì)整章的知識(shí)有一個(gè)大概的認(rèn)識(shí)。具體知識(shí)點(diǎn)的講授，可采用問(wèn)題案例法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)學(xué)生的理解和記憶。每個(gè)單元操作講解的結(jié)尾，可采用綜合案例法，可使學(xué)生綜合利用本單元操作所學(xué)知識(shí)，解決工程設(shè)計(jì)中的實(shí)際問(wèn)題。

作者：胡粉娥柴大江韓林剛王惠平單位：曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院云南大為制氨有限公司