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1傳熱單元操作的案例教學

1.1開篇案例對于傳熱單元操作，可采用學生熟悉的氨的合成中脫除二氧化碳的生產工藝作為開篇案例。氨的合成中二氧化碳脫除的傳統流程如圖1所示[8]。一氧化碳變換后的原料氣經吸收塔底部的氣體分布管加入吸收塔，在塔內與碳酸鉀吸收劑進行洗滌，出塔凈化氣經分離器把氣體夾帶的液滴分離后進入下一工段。吸收液由吸收塔底部引出，經水力透平減壓后進入再生塔頂部。在再生塔頂部，溶液閃蒸出部分水蒸氣，然后沿塔向下流，在塔內與再沸器加熱產生的蒸汽逆流接觸，同時被蒸汽加熱到沸點并放出殘余的二氧化碳。而再生出來的碳酸鉀溶液經冷卻器冷卻之后并經泵加壓后進入吸收塔頂部循環使用。選用此工程案例作為開篇案例是基于下述三個原因：（1）我校的化工原理是在大二下學期開設。此前學生已到云峰合成氨廠進行了生產認識實習，對此工程案例比較熟悉，能較好的引起學生的興趣；（2）該生產案例中，涉及到三類換熱器（再沸器、冷卻器、冷凝器），與教學目標吻合較好；（3）該案例中，化工原理與化工工藝學緊密結合。提出此生產案例后，以學生為主體，讓學生簡述整個脫碳過程，并引導學生思考該生產過程中這些換熱器的作用，流體之間的換熱方式。然后，請學生歸納總結、教師補充說明加以延伸，即可完成開篇內容：（1）換熱在化工生產中的應用，（2）換熱器的類型，（3）冷熱流體換熱方式。之后，提出兩個問題留給學生思考：一是如何根據生產任務設計或選擇一臺換熱器。二是這些換熱器使用時間長了，換熱效果不好了，怎么辦。這些問題將在后續章節逐一解決。

1.2問題案例問題案例法，即教學中講授某一知識點前先列舉出工程中存在的實際問題，分析該問題產生的原因及解決該問題的方法，再引出知識點的教學方法。傳熱一章涉及知識點較多，講授時可采用問題案例法逐一進行。例如，對于保溫層的厚度問題，許多學生會習慣性的認為厚度越厚越好。為改變學生的習慣性思維，即可列舉如下實例進行教學。假設一鋼管規格，鋼管外壁溫度環境溫度鋼管外包熱導率為的保溫材料，以減少熱損失。已知保溫層外表面與環境的對流傳熱系數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，每米管長的總熱阻及熱損失。為節約時間，可將3-5位學生分為一組，每小組計算1個保溫厚度對應的總熱阻和熱損失。計算結果如表1所示。表1的數據顯示，在題設條件下保溫層厚度由10mm增至30mm時，總熱阻逐漸減小、總熱損失逐漸增大；當保溫層厚度從30mm增至70mm時，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，總熱阻和總熱損失均存在一個拐點，對應的總熱阻最小、熱損失最大。此點對應的保溫層厚度稱為保溫層的臨界厚度。計算表明，上述題設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，當保溫層厚度增大時，一方面是導熱熱阻增加，另一方面是對流傳熱熱阻減小，因此保溫層厚度存在臨界厚度。當保溫層厚度小于其臨界厚度時，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。當保溫層厚度大于其臨界厚度時，隨著厚度的增加，總熱阻增大、總熱損失減小。鑒于經濟和管道體積的考慮，實際生產中需通過計算，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（或每個單元操作）的結尾，列舉出該單元操作的工程設計（或工程改造）實例，提出需要解決的工程問題，引導學生綜合利用本單元操作所學知識，解決該工程設計（或工程改造）問題。在傳熱單元操作講解的最后一堂課，提出如下生產案例：在某化工產品的生產裝置中，混合液在分解塔中進行反應時，放出大量的熱量。若不及時移走，分解塔內溫度將繼續上升，會產生過量焦油。這不但會使產品質量下降，堵塞管道，甚至造成事故。國內該類生產裝置大都采用蒸發冷卻的方式轉移反應熱（即塔內溫度靠液體自身蒸發來維持，一般維持在88℃左右）。也有部分工廠采用外循環冷卻的方式（將塔內液體用泵抽出，經塔外一雙管程換熱器用冷卻水冷卻后循環回分解塔）轉移反應熱。所用換熱器主要參數為：殼徑1m，雙管程，換熱管，換熱管根數370根，總傳熱面積100m2。該廠欲將塔內溫度降至60℃，這一改變要求冷卻器熱負荷增至4×105kJ/h。將此案例加以描述和說明后，讓學生對這一案例提出實際的解決辦法。根據班級學生數，將學生按5-7人一組，課堂上用10-15min時間進行分組討論。之后，小組派代表闡述解決方案，其它小組可質疑和提問。經小組討論，教師點評，最終形成如表2所示的四種方案。經分析可知，得出方案D是可行的。得到這一結論并不意味著案例分析就結束了。最后也是最重要的一步，是教師引導學生總結歸納出具有普遍規律的理論知識，也就是“從例到理”。此案例表明，考察一臺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的乘積KA才能真正代表一臺換熱器的工作能力。因為存在如下關系：A↑—管數↑或者殼體體積↑—流速↓—傳熱系數↓。因此，列管換熱器的K和A值之間往往存在“此漲彼消”的關系。傳熱面積過大往往由于流體流量的“不匹配”而導致K值降低，換熱效果降低了。

2案例教學的啟示

案例教學在一定程度上彌補了傳統教學的不足，可提升學生的學習興趣。一個好的案例一定要源于生產和生活，又不能脫離教學內容與教學目標。案例中既包含對實際問題的描述，又暗含一定的科學問題，讓學生參與分析并解決此實際問題。案例教學不但可使學生快速鞏固理論知識，還培養了學生解決實際問題的能力。采用案例教學時，要正確處理好案例教學與理論教學的關系。案例教學只是眾多教學方法中的一種，不能用案例教學完全替論教學，而應在一定的理論基礎上加以實施。案例教學中，應注重以學生為主體，讓全體學生參與問題的分析與解決，最終總結歸納得出具有普遍規律的理論知識，做到“從例到理”，使學生明白理論知識源于實踐。當學生掌握了理論知識后，又要從理論的高度重新審視工程案例，做到“從理到例”，培養學生理論指導實踐的方法。真正實現“以學生為主體，以能力培養為核心”的實踐教學理念。

3結語

案例教學的引入可彌補傳統教學中的不足，激發學生的學習興趣。但案例的選擇要恰當，且處理好案例教學與理論教學之間的關系。不同的課程，采用的案例教學方法不同。針對化工原理課程教學的特點，可采用開篇案例、問題案例、綜合案例法。開篇案例能使學生明白該單元操作在化工生產中的應用、采用的設備及分類、需要解決的問題，使學生對整章的知識有一個大概的認識。具體知識點的講授，可采用問題案例法，提高學生的學習興趣和增強學生的理解和記憶。每個單元操作講解的結尾，可采用綜合案例法，可使學生綜合利用本單元操作所學知識，解決工程設計中的實際問題。

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