面向化工类高校解决复杂工程问题能力培养的课程教学改革探索—以《化工原理》课程为例

“化工原理”是化工类高校培养学生工程思维与解决复杂工程问题能力的核心课程。然而,由于课程复杂、内容抽象,课程的教学质量受到限制,无法达成解决复杂工程问题能力的培养目标。对此,本文通过教学目标、教学内容、教学方法“三维”角度进行教学改革探索,引导学生培养工程实践意识,采用“五阶”教学实践过程启发学生注重典型单元操作的设计型和操作型问题,提高学生解决复杂工程问题的能力。本文将为化工类高校解决复杂工程问题能力的培养提供参考和借鉴。

电弧喷涂法制备高耐蚀合金涂层及其性能研究

通过铸熔拉拔直接制备Zn–Al–Mg合金丝材,采用电弧喷涂法制备出Zn–Al–Mg合金涂层,由铜醋酸加速盐雾试验和失重试验研究了Zn–Al–Mg合金涂层的耐蚀能力,并考察了涂层采用封孔处理后的耐蚀能力。运用电化学测试方法研究了涂层中Mg元素含量对涂层耐蚀性的影响,分析了腐蚀过程中涂层的电化学特性,最终确定了一种耐蚀性能优异的合金涂层-Zn18Al0.5Mg。

稻草秸秆超低酸水解及水解产物分析

用0.05%(w)的稀硫酸对湖北省稻草秸秆进行水解,考察了混合原料中固体含量和搅拌转速对稻草秸秆水解的影响。实验结果表明,最佳秸秆颗粒的质量浓度为0.050 0 g/mL,最佳转速为700 r/min。研究了稻草秸秆在160～210℃内的水解趋势。研究结果表明,160℃时,稻草秸秆水解得到的还原糖含量随水解的进行呈单峰趋势;在170～200℃时呈双峰趋势;当温度达到210℃时又呈现单峰趋势,这与稻草秸秆中纤维素和半纤维素水解得到的两个还原糖峰随水解的进行呈现叠加和分离有关。表征固体残渣并分析水解产物组成的结果显示,水解后半纤维素大部分水解,木质素的结构在一定程度上被破坏,纤维素的聚合度急剧降低但结晶度仍较高;水解产物主要为纤维三糖、纤维二糖、葡萄糖、木糖、丙酮醛和未知混合物。

恒再沸比提馏式间歇精馏的最小再沸流比与能耗分析

通过构造一函数,推导出二元恒再沸比提馏式间歇精馏,在理想操作条件下,理论板数趋向无穷多时,瞬时恒浓区变化方式可由此函数值(>0或<0)来判断,完善了二元恒再沸比提馏式间歇精馏最小再沸比计算方法。推导出二元恒残液组成提馏式间歇精馏,在理想操作条件下的最小汽化总量的计算公式。通过对理论板数趋向无穷多时的能耗分析得到,二元提馏式间歇精馏,要求残液中重组分的收率和平均浓度均高时,相对于恒残液组成操作,采用恒再沸比操作能耗较高,其主要原因是低效总能耗(理论板数趋向无穷多时,直接表现为无效总能耗)在总能耗中占比例较大。

化工原理填料吸收塔与板式精馏塔计算问题类比教学的探讨

对填料吸收塔和板式精馏塔的计算问题采用类比教学方法进行了探讨。首先将上述计算问题按计算类型、计算依据、定量计算与定性分析的框架进行详尽的类比,然后通过实例说明吸收塔与精馏塔计算问题定性分析的思路与方法。实践发现通过类比教学,学生能很好地掌握填料吸收塔与板式精馏塔计算问题的异同,提高了教学效果。

宜昌中间坪磷钾矿矿物学研究

对宜昌中间坪的磷钾伴生矿的化学组成、矿物组成及嵌布特征进行了研究。结果表明,该矿的主要矿物为钾长石(27%)、石英(51%),以及少量的胶磷矿(7%),黄铁矿(6%)、白云母(9%),杂质含量较高。形貌分析显示,钾长石为零星分布的细粒状结构,胶磷矿为不规则粒状嵌布。有用矿物与石英、黄铁矿等脉石矿物共生关系十分密切。根据矿石工艺性质,回收利用该磷钾矿,要考察磨矿细度,尽量使钾长石、胶磷矿与石英等脉石矿物解离。

二元提馏式间歇精馏的优化操作与最小汽化总量

理想操作条件下二元提馏式间歇精馏优化操作的汽化总量与最小汽化总量的计算是约束函数优化问题。本文采用罚函数法,将此约束函数优化转变为无约束函数优化,并采用固定双步长因子梯度法数值求解该函数的极值。计算表明:固定双步长因子梯度法具有良好的收敛性,同时,降低分段数较多时,数值截断误差积累对计算结果的影响。二元提馏式间歇精馏优化操作较恒残液组成操作的能耗低的原因如下:在理论板数相对较少(接近二元提馏式间歇精馏恒残液组成操作所需的最少理论板)时,优化操作通过控制再沸比提高了能耗效率;在理论板数相对较多时,优化操作通过控制再沸比,在保证过程的能耗效率较高的同时,可尽可能快地将物料移出系统,减少了精馏过程中塔顶贮槽内液体的混合熵产。通过对计算结果的归纳与外推,得到了理想操作条件下理论板数为无穷多时二元提馏式间歇精馏优化操作再沸比的变化方式以及最小汽化总量的计算公式。

农作物秸秆超低酸水解的比较

在间歇反应釜中,以超低酸(硫酸质量分数为0.05%)水解的方法对5类15种农作物秸秆进行评价,并考察了温度与时间对不同秸秆水解的影响.结果表明:相同条件下,不同种类、同种类不同地区秸秆水解后还原糖浓度有很大差异,这与纤维素、半纤维素及木质素的含量及转化率有关.黑龙江的稻草、玉米秸秆及山东小麦秸秆的还原糖浓度较高,4种棉花秸秆的还原糖浓度都较低;还发现,木质素含量较高的秸秆,超低酸水解还原糖浓度较低,只是水解了部分半纤维素及极少量的纤维素.

化工过程模拟课程教学方法探讨

化工过程模拟是高等院校化工专业学生的必修课程,该课程内容抽象,教学难度较大。课程的教学革新可以从教学模式、教学内容和教学方法上着手,采用理论与实际相结合的方式进行,以提高学生的学习兴趣和化工模拟实践的创新能力。本文提出了优化化工专业课程内容,采用网络辅助教学,发挥课程设计、毕业设计和化工设计竞赛的协同促进作用等举措提高学生应用化工模拟软件能力的新思路。

秸秆中木质素对其超低酸水解过程的影响

以湖北稻草秸秆为研究对象,研究了超低酸水解木质纤维素的适宜条件,测定了适宜条件下的超低酸法水解15种不同种类秸秆的纤维素及半纤维素的转化率、还原糖得率及结晶度的变化。实验结果表明:秸秆投料量3 g、硫酸投料量45 mL(硫酸质量分数0.05%)、搅拌转速500 r/min、反应温度210℃、反应时间10 min为适宜的水解条件。对15种不同种类秸秆的水解结果统计得到,随着秸秆中木质素含量的增大,纤维素和半纤维素的转化率都逐渐降低,还原糖得率逐渐降低;通过SEM和X衍射分析水解前后的木质纤维素结构,得到了木质素影响水解过程的方式:1)木质素含量越大,纤维素的结晶度越大,纤维素的非晶化越困难,从而影响了纤维素的水解;2)原木质素不溶于反应体系且在酸性条件下相对稳定,富木质素层的木质素阻碍反应物与产物扩散,使富木质素层内的纤维素、半纤维素水解速率降低;3)木质素含量越高,木质纤维素的富木质素层越厚、强度越大,水解时难以从颗粒表面脱落,进一步降低水解速率。

用哲学原理解决化工原理流体流动定性问题

运用矛盾论、动与静的辩证关系,整体与局部的辩证关系解决简单管路、复杂管路所涉及的阻力损失的变化、流量变化及静压强变化等定性问题。教学实践表明,用哲学原理解决此类问题不仅原理清晰,判断准确、快速,而且提高了学生的辩证思维能力,获得了绝大部分学生的认可与欢迎。

恒馏出液组成常规间歇精馏过程模拟的数值计算误差

为了完善间歇精馏过程的模拟技术,研究了模拟间歇精馏过程的数值计算误差及其相对稳定定量方法。采用拟稳态法模拟理想条件下恒馏出液组成操作常规二元间歇精馏过程,总汽化量数值计算结果的误差是截断误差、舍入误差和传播误差的耦合。根据大数定律,提出了理论板有限时,总汽化量数值计算结果误差的近似计算方法,及提出了采用拟合法计算Richardson外推法的误差系数。拟合法通过拟合足够多组总汽化量的数值计算结果和相应的过程离散段数计算误差系数,有效降低了(或消除)随机误差(舍入误差和传播误差)对计算误差系数的影响,提高了Richardson外推法估计截断误差的准确(稳定)性。

格拉斯霍夫数物理意义的一种解释方法

格拉斯霍夫数是将影响对流传热膜系数因素进行量纲分析得到的无量纲数。国内外几乎所有《化工原理》教材均将其解释为表征自然对流的影响,但解释过程均较为模糊。本文以一垂直平板与大空间液体的自然对流传热过程为例,将流体在垂直平板附近的热边界层内流动等效到圆管内流动,直接用泊稷叶公式计算出热边界层内流体流动为层流时的环流速度,取等效圆管的当量直径为特征尺寸,明确得到格拉斯霍夫数是雷诺数的一种变形,表征自然对流时惯性力与黏性力之比。

化工原理实验流程设计教学探讨

化工原理实验的流程设计是实验教学的重要内容,有利于培养学生的工程能力与创新意识。根据教学实践,武汉工程大学提出了参数归类教学法指导化工原理实验流程设计教学。该教学法的关键是根据实验任务确定测量原理方程,然后对原理方程所涉及的参数按照物性参数、设备参数和操作参数进行分类。教学实践表明,采用该法进行流程设计有利于学生掌握与理解化工原理实验的共性,易于学习与实践。

化工原理辩证思维教学探讨

设备供给量与生产需求量的矛盾贯穿于化工原理的各个单元操作。供给量内又有两个主要问题:总费用与过程速率。对于总费用问题可以协调矛盾的两个方面即设备费用与操作费用来解决;对于串联过程的速率,要着眼于抓住矛盾的主要方面,降低控制步骤阻力。将矛盾论与课程内容深度融合教学,体现了理论与实践相统一的知行合一观,有助于培养学生的辩证思维能力。

金属离子对水热法制备半水硫酸钙晶须的形貌及粒径的影响

以二水硫酸钙为原料,采用水热法制备了半水硫酸钙晶须。通过单因素实验得出制备半水硫酸钙晶须的较优工艺条件为:反应温度120℃、料浆质量分数2%、反应时间2h、搅拌速度200r/min,此时所得晶须产物平均直径2.4μm,长径比103.9,晶须呈长针状、规则统一,分散性好。探讨了K^+、Mg^(2+)、Cu^(2+)、Fe^(3+)、Al^(3+)对较优工艺条件下制备的半水硫酸钙晶须形貌及粒径的影响,结果表明:金属离子对晶须产物形貌及粒径有显著影响。其中低浓度的Mg^(2+)、Cu^(2+)有助于获得小直径、高长径比的晶须产物;Al^(3+)、Fe^(3+)对晶须的生长有较强的抑制作用,特别是低浓度的Al^(3+)、Fe^(3+)使得晶须的形貌发生明显的变化,导致长径比较低;除K^+外,金属离子浓度越高,所得晶须产物直径越大,长径比越小,并发生团聚现象,晶须由针状变为短棒状,分散性变差。同时探讨了金属离子的作用机理。

耦合闪蒸的连续超临界甲醇法制备生物柴油

在耦合闪蒸装置的管式反应器中,以菜籽酸化油为原料,采用超临界甲醇法连续制备生物柴油,同时绝热闪蒸回收甲醇,考察了醇油摩尔比、反应温度、反应压力、反应时间以及闪蒸压力对生物柴油收率、甲醇回收率及气相中甲醇含量的影响。结果显示,在醇油摩尔比35∶1,反应温度300℃,反应压力13 MPa,反应时间600 s的最优条件下,生物柴油收率可达83.1%(以菜籽酸化油质量计);在最优条件及闪蒸压力为常压条件下,闪蒸甲醇回收率可达90.5%,气相中甲醇含量达97.7%;对闪蒸回收的甲醇循环使用5次后,甲醇回收率为86.8%,回收甲醇中甲醇的质量分数为93.7%,该组成的回收甲醇对生物柴油收率无明显影响。

钾长石超声波强化浸出动力学

在超声波体系下对钾长石进行了硫酸酸浸动力学研究,实验结果表明,由于超声空化作用,以硫酸作为浸出剂超声波能强化钾长石的酸浸过程,钾浸出率可以提高3%-8%。适宜的浸出工艺条件为：超声功率100 W,反应温度90℃,液固比4∶1,原料比（CaF2质量/钾长石质量）0.1,硫酸质量分数40%,反应时间7h,此时钾的浸出率可达83.23%。钾长石超声波强化浸出过程可利用粒度不变的缩核模型来描述,活化能为45.69kJ/mol,属于化学反应控制过程。

宜昌磷钾矿反应特性和发泡特性研究

研究了湖北宜昌殷家坪磷钾矿、中间坪磷钾矿和太阳山磷钾矿的反应活性、抗阻缓性能和发泡特性,并同汉源磷钾矿及其他4种常见磷矿作了对比分析。结果表明,宜昌磷钾矿反应活性较高,抗阻缓性能好,发泡性强,湿法处理时可能需要加入消泡剂。

表面活性剂对磷钾伴生矿中钾浸出的影响

针对我国严重匮乏可溶性钾盐资源,而非可溶性钾资源却非常丰富,如磷钾伴生矿,因而探索从磷钾伴生矿中提取可溶性钾具有重要意义.本文强化了磷钾伴生矿的酸浸过程,研究了在HCl-CaF_2体系下,表面活性剂对磷钾伴生矿中钾浸出的影响.结果表明:阴离子表面活性剂可以强化钾的浸出,阳离子表面活性剂对钾的浸出未产生明显影响,非离子表面活性剂会抑制钾的浸出.通过筛选得到较佳的表面活性剂为十二烷基硫酸钠(SDS),其添加量为1.25 g/L,与未添加SDS的相比,钾浸出率提高了约8.5%,达到了98.01%.