化工过程设计课程的设计和教学实践.pdf

收稿时间 2021-04-06基金项目 中国石油大学（北京）本科教学工程项目。作者简介 徐建（1970），男，山东人，博士，副教授，研究方向为清洁油品生产和能源转化与优化利用等方面数值模拟。摘要 工程设计能力以及解决复杂工程问题能力的培养是化工类专业培养目标的重点，也是工程教育认证通用标准的基本要求。实践教学是学生工程设计能力培养的重要途径，化工过程设计课程作为中国石油大学（北京）化工类专业培养学生工程设计能力的实践类课程，在整个工程设计能力培养体系中占有重要地位。文章按照成果导向教育（OBE）的理念，在明确课程对毕业要求指标点支撑作用的基础上，对课程目标进行了设计；按照“突出重点、强化综合能力培养”的原则，确定了课程内容和相应的课程评价方法；详细介绍了中国石油大学（北京）化工过程设计课程的教学设计和实施过程，并对教学实践中的一些经验和体会进行了总结。关键词 化工过程设计；工程设计能力；课程设计；教学实践中图分类号 G642 文献标识码 A 文章编号 2095-3437（2023）08-0072-032023年4月April，2023University Education化工类专业的培养目标中特别强调要培养学生的工程设计能力、解决复杂工程问题的能力，这也是工程教育认证通用标准的基本要求。如何提高化工专业学生的工程设计能力、培养出高素质的化工设计人才以满足我国化工行业发展的需求，是化工类专业高等教育急需解决的关键问题1。中国石油大学（北京）在化工类专业学生工程设计能力的培养模式、课程体系建设等方面进行了积极的研究和探索，顶层设计了由设计基础、方案设计、设备设计、工艺设计和化工综合设计5个模块组成的课程培养体系，将学生的工程设计能力培养贯穿于大学四年的理论课程和实践教学环节，实现了工程设计能力培养的四年不断线2。实践教学是培养学生工程意识和工程设计能力的重要载体和必要环节3-4。为此，中国石油大学（北京）对化工设计类课程进行了规划，在大三上学期设置化工设计概论课程，讲授化工设计的基本理论知识；在大三下学期设置化工用能评价和化工应用软件课程，分别讲授化工过程的能量分析与优化方法、化工过程的流程模拟方法，在上述理论课程的基础上设置了64个学时的实践类化工过程设计课程。该课程设置在大四上学期，其总体目标是在前三年设计基础类、方案设计类和设备设计类课程学习的基础上，通过一个具体的工艺设计项目，锻炼学生对专业知识的实际应用能力，培养学生的工程设计理念、化工工艺流程设计能力、计算机辅助设计能力、工艺流程图的绘制与设计能力，以及对化工类复杂问题的分析与解决能力。在多年的教学实践中，化工过程设计教学团队按照工程教育专业认证成果导向教育（OBE）的理念进行教学设计和教学实施，对课程内容和评价方法进行了持续的优化调整。本文介绍了中国石油大学（北京）开设的实践类化工过程设计课程的课程目标、课程内容和评价方法，并对教学团队在教学实践中的一些经验和体会进行了总结。一、化工过程设计的课程目标工程教育专业认证通用标准给出了12条毕业要求，这12条毕业要求涵盖了当代工程师所需的能力集合。能力不仅仅局限于专业能力，还包括当今社会需求更迫切的通用能力和素养5。化工过程设计课程作为一门综合性的实践类课程，对学生毕业要求的达成起着重要的支撑作用。因此，化工过程设计的课程目标不应该仅仅局限于对学生工程设计能力的训练，而应该是对学生在提出问题和解决方案、使用现代工具、团队交流与合作、沟通与交流以及终身学习等方面能力的综合培养。因此，在明确专业培养目标、毕业要求和毕业要求指标点的基础上，该校根据课程对毕业要求指标点的支撑，对课程目标进行了设计。具体来说，化工过程设计的课程目标是通过一个具体的工艺设计项目，使学生具备以下能力：一是能够依据项目设计任务和文献调研结果，综合分析工艺技术路线的特点，结合安全、环保和经济等因素评估和选择工艺技术，构建合理的化工工艺流程；二是有能力利用Aspen Plus流程模拟软件，对构建的工艺流程进行模拟计算，进一步完善和优化工艺流程，优化设备的工艺参数，能够用口头报告的方式呈现设计结果；三是有能力对流程模拟及优化结果进行分析总结，用文本规范地呈现设计结果；四是能够利用 Auto化工过程设计课程的设计和教学实践徐建黄星亮孟祥海杜巍刘昌见中国石油大学（北京）化学工程与环境学院，北京10224972CAD软件规范绘制工艺物料流程图（PFD图）和管道及仪表流程图（PID图），并对工艺设备设计出合理的控制方案；五是具有团队意识，能够与团队成员进行有效沟通和相互协作；六是有能力根据目标任务开展文献调研，获得所需的专业知识，理解化工产品的生产技术，进行技术方案比较；七是有能力提出涉及化工技术经济、副产品综合加工处理、“三废”处理和安全等方面的问题，并能通过撰写项目建议书和设计说明书提高凝练综述的能力。二、化工过程设计的课程内容化工过程设计课程具有综合性强、涉及知识面广、设计内容众多、需要多个专业配合等特点6，因此，如何在有限的课时内合理安排课程内容，做到既能突出课程的重点，又能实现课程目标中对知识和综合能力培养的要求，就成为课程内容设计的关键。为此，教学团队按照“突出重点、强化综合能力培养”的原则，抓住化工工艺过程设计的主线，确定了5个部分的课程内容：一是根据设计任务，通过查文献，确定工艺路线和生产方法，撰写项目建议书；二是做出较为规范的手绘工艺流程简图；三是采用Aspen Plus软件，对所选定的工艺过程进行流程模拟与设备参数优化，制作出设备的工艺参数、物料和能耗一览表；四是做出全流程的PFD图和部分流程的PID图；五是撰写工艺流程设计说明书。在完成上述5个部分内容的基础上，鼓励学生进行换热网络优化设计、关键设备创新设计等方面的设计工作。第一部分是项目建议书的撰写。教师给学生下达的设计任务书中，只规定所设计化工过程的原料和产品，而不指定具体的生产工艺。需要学生通过文献研究，了解各种可行的技术方案，通过对不同技术方案在原料的有效利用率、工艺技术的先进性和可靠性以及生产过程的清洁性和安全性等方面进行对比分析，选择或构建合适的工艺路线。此外，在项目建议书阶段，学生还需要确定项目的建设规模，原料的供应情况，产品的主要用途、市场需求和质量标准，厂址选择与建厂条件，并进行工艺过程的安全环保分析以及经济潜力和社会效益的分析等。通过项目建议书的撰写，锻炼学生依据文献研究结果，综合分析工艺技术路线的特点，结合安全、环保、经济等因素，评估、选择和构建合理的化工工艺流程的能力。同时，培养和锻炼学生用文本方式准确表达和交流的能力，以及终身学习的能力。第二部分是在项目建议书已确定工艺路线的基础上，绘出工艺流程简图。要求学生按照规范绘出物料由原料转变为成品的路线、流向顺序以及采用的各种工艺过程及设备。通过工艺流程简图的绘制，帮助学生完成从相对较为简单抽象的工艺流程图向由实现工艺过程的具体操作单元组成的工艺流程图的转变，为下一步借助Aspen Plus软件进行物料衡算和能量衡算做准备。第三部分是流程模拟。要求学生采用Aspen Plus流程模拟软件，对所构建的工艺过程进行全流程的模拟，并在模拟计算的基础上进一步完善和优化工艺流程，优化关键设备如反应器、分离设备等的工艺参数。在流程模拟中，强调选择合理的原料组成、适用的热力学方法和合适的单元操作模块，以实现流程模拟的准确性。为培养和锻炼学生的口头表达能力，流程模拟部分还设置了答辩环节。第四部分是绘制PDF图和PID图。要求学生在AspenPlus流程模拟的基础上，利用AutoCAD软件以图形与表格相结合的形式，规范呈现物料衡算和热量衡算的结果，并对工艺设备设计出合理的控制方案，绘出PID图。第五部分是工艺流程设计说明书的撰写。要求学生以文本方式呈现整个设计内容的总结，要求除了简要介绍设计项目的生产规模、产品种类和质量要求以及技术方案的对比和选择外，重点总结所设计的工艺过程的流程模拟情况，包括：（1）根据文献研究所确定的原料的组成、反应单元的操作条件和产物分布以及目标产品和副产品的物理化学性质；（2）通过流程模拟，确定工艺流程中各个单元的工艺参数和物料表；（3）关键设备工艺参数的优化；（4）工艺流程的优化、热交换网络设计或设备设计。尽管工艺流程设计说明书从内容和深度上与初步设计说明书还有相当大的距离，但通过工艺流程设计说明书的撰写，可以让学生对自己的设计工作进行总结，并用规范的文本呈现出来，不仅有助于学生高质量地完成设计工作，也锻炼和培养了学生的沟通和交流能力。三、课程评价方法作为一门实践类的课程，化工过程设计课程主要采用以学生设计训练为主、教师讲授为辅的教学方法，每周在计算机教室安排一个下午（4个学时）的时间开展集中设计，教师对学生在设计过程中遇到的问题进行讲解与答疑。在课程的组织上，学生分组进行设计工作，不同小组的设计题目不同。每个设计小组由35名学生组成，每46个设计小组配备1名指导教师。为了保证学生独立完成设计任务，同一组学生的设计题目涉及的原料和产品相同，但要求每名学生的设计规模不同，并鼓励他们采用不同的工艺路线。此外，为鼓励学生之间团结协作和交流，允许同组学生讨论、交流，但每名学生必须深度参与并独立完成课程要求的全部设计内容。为了提高学生的学习积极性，保证学生设计作品的质量，教学团队将课程的成绩构成分为 7 个部分（见表 1），并通过自编的化工过程设计指导书规定了每一部分的具体评分标准。从表1可以看出，课程的成绩构成实现了课程目标和课程内容的完全覆盖，在分数占比上也体现了课程的重点和主次。其中，工艺流程模拟是工艺过程设计的关键，对学生来说也是难度最大和最有挑战性的部分。特别是为了向学生传达经济性的理念，要求设计中必须考虑物料的充分利用，在所设计的流程中必须设置至少一个循环物流，更增加了流程模拟的难度，因此这部分的成绩占比最大。此外，为鼓励学生运用所学知识对工艺过程进行优化设计和创新，还设置了加分项，最高加5分。加分的项目包括对换热网络进行73优化设计、对关键设备的设计有创新以及对工艺路线的设计有创新等。表1化工过程设计课程的成绩构成序号序号1234567合计项目项目项目建议书手绘工艺流程简图Aspen Plus工艺流程模拟工艺流程设计说明书PFD图PID图团队合作分数占比分数占比/%/%155302015105100教学团队对各部分的成绩采取了不同的评定方法，Aspen Plus工艺流程模拟部分采用口头答辩的方式，由答辩评委给出成绩；团队合作部分根据学生在小组内的表现，通过学生互评、指导教师评定的方式打分；而项目建议书、手绘工艺流程简图、工艺流程设计说明书、PFD图和PID图部分则要求学生提交相应的文字和绘图作品，由指导教师根据课程指导书中规定的评分标准评分。四、教学实践总结在持续的教学实践中，教学团队对课程的教学内容、教学方法和评价方法进行了不断调整和改进。（一一）组建成员稳定组建成员稳定、结构合理的教师队伍结构合理的教师队伍该校的化学工程与工艺、能源化学工程2个本科专业共有7个班，约200名学生，其化工过程设计课程的教学任务由8位教师承担。每位教师负责指导2030名学生（每组学生分为46个小组）的设计教学工作。除本课程外，每位教师至少承担一门化工设计类理论课程，如化工设计概论、合成燃料化工设计、化工应用软件、化工用能评价等，保证了课程的延续性。由这8位指导教师组成的化工设计教学团队定期和不定期地开展教学研讨活动，保证了课程的顺利开展和持续改进。此外，为解决高校青年教师普遍存在的工程设计经验缺乏与工程设计能力不足的问题，教学团队在学校培养和激励青年教师工程设计能力的顶层设计引导下，采取定期邀请企业设计专家来校讲课或讲座、多与生产企业和工程设计单位交流、团队教师在教学与学生指导过程中互相学习、发挥教学团队“传帮带”作用等措施，较好地促进了化工过程设计课程指导教师工程设计能力的快速提升7。（二二）建立丰富的设计题库建立丰富的设计题库指导教师团队通过广泛调研与文献查阅，不断丰富课程的设计题目，建立了包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇的生产与利用，乙烯和丙烯的生产与利用，天然气的生产与利用，碳四烃的生产与利用，轻芳烃的生产与利用，小分子有机酸的生产与利用，生物质的化工利用和煤的化工利用等方面与工程相关的课程设计题目，题目总数达160多个，保证该校化工类专业本科生3年内的化工过程设计题目不重复。（三三）加强过程监控加强过程监控，提高课程质量提高课程质量为了更好地督促学生高质量地完成设计任务，教学团队对整个设计任务进行了分解，要求学生按照时间节点分阶段完成相应的设计任务，指导教师随时进行检查和督促。如在第4周末完成项目建议书的撰写，在第5周末完成手绘工艺流程简图，在第12周末完成流程模拟与优化，在第15周末完成PFD图和PID图的绘制，在第18周末完成工艺流程设计说明书。为保证设计工作的质量，化工设计教学团队编写了化工过程设计指导书，对于每一部分设计任务需要完成的内容和要求进行了详细说明。特别是对于在整个设计工作中起着关键作用的流程模拟部分，教学团队设置了答辩环节，要求学生对自己设计的工艺流程、采用的模拟方法和得到的模拟结果进行介绍，并回答答辩评委的提问。答辩评委由指导教师和设计院专家组成，对学生的流程模拟工作进行点评和指导，并根据具体的评分标准给每名学生打分，打分成绩作为流程模拟部分的成绩计入总成绩。答辩成绩不合格（低于16分）的学生需要参加第二次答辩。答辩环节的设置，不仅提高了学生参与设计任务的积极性，还提高了学生设计作品的质量。五、结语化工设计实践类课程对于培养学生的工程设计能力和解决复杂工程问题的能力起着十分重要的作用。本文详细介绍了化工过程设计课程的教学设计、实施过程和经验体会，以期为提高化工设计实践类课程的教学质量提供借鉴。参考文献1 姚金环，李延伟.工程教育认证背景下化工专业学生工程设计能力培养改革探索 J.教育教学论坛，2020（24）：226-227.2 孟祥海，黄星亮，朱建华，等.化工类专业本科生工程设计能力培养的思考与实践 J.化工高等教育，2021，38（2）：51-56.3 孙伟民.以实践教学为载体 培养学生的工程意识和工程设计能力 J.中国高等教育，2006（9）：46-474 孟祥海，周亚松，蓝兴英，等.工科专业大学生工程能力培养探索与实践 J.石油教育，2015（5）：51-54.5 赵玉娟，郑丽萍.工程教育专业认证背景下课程目标设置的思考与研究 J.教育教学论坛，2020（40）：180-181.6 李国庭，刘在彤.“化工过程设计”课程学习技巧 J.教育现代化，2018，5（40）：267-270.7 孟祥海，黄星亮，徐建，等.化工类专业青年教师工程设计能力的培养 J.教育教学论坛，2018（14）：73-75.责任编辑责任编辑：黄紧德黄紧德2023年4月April，2023University Education74