单位文秘网 2021-07-27 08:18:59 点击: 次
摘要:课程建设是教学质量工程的核心内容。《化工热力学》是化学工程与工艺专业的专业基础核心课程,被评为江西省精品课程。本文就《化工热力学》课程的知识体系及其实践教学在课程中的运用进行了总结。
关键词:化工热力学;课程建设;精品课程;化学工程
中图分类号:G642.3 文献标志码:A文章编号:1674-9324(2012)01-0200-03
《化工热力学》是化学工程与工艺专业本科生必修的专业核心课程,《化工热力学》的原理和应用知识是从事化工过程的研究、开发以及设计等方面工作必不可少的重要理论基础,是一门理论性与工程应用性均较强的课程。加强实践教学在课程中的运用是提高教学效果的一个重要手段。本文从历史沿革、课程的性质与目标、课程的知识体系、教学内容、实践教学的运用等方面介绍了南昌大学《化工热力学》省级精品课程的建设。
一、《化工热力学》的历史沿革
我校《化工热力学》课程的历史比较久远,自1958年化学工程系建系以来就开设了此门课程,此课程一直列为化学工程系化学工程与工艺专业学生的专业基础课,课程自1958年开设至今,经过几次比较大的教学课时和授课方式的变革,教学课时由最初的80学时、60学时、48学时、64学时,调整到现在的54学时。授课方式由原先的单一课堂讲授变为现有的课堂讲授为主,兼有课程设计。通过课程设计的完成,让学生对所学的知识如何运用于实践有了更为直观的感受。根据省级精品课程建设的要求,优化了教学内容,加强了网络课程建设,实现教学资源共享。《化工热力学》网络课程已基本完成,包括课程介绍、教学大纲、电子课件、多媒体课件、练习题库、电子教案等。
二、《化工热力学》课程的性质与目标
《化工热力学》是化学工程的重要分支和基础学科,是化工工艺专业及相关专业的专业基础课。《化工热力学》就是运用经典热力学的原理,结合反映系统特征的模型,解决工业过程(特别是化工过程)中热力学性质的计算和预测、相平衡和化学平衡计算、能量的有效利用等实际问题。为学习后续课程和解决化工过程的实际问题打下牢固的基础。《化工热力学》是在物理化学、化工原理和高等数学等专业基础课上,将热力学原理应用于化学工程技术领域,其主要任务是以热力学第一、第二定律为基础,研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用,研究各种物理和化学变化过程达到平衡的理论极限、条件和状态。《化工热力学》的主要研究范畴在于决定设计分离过程、化学反应器所需的相平衡以及化学反应平衡数据、参数和平衡时的状态以及对化工过程进行热力学分析。因而它是化工过程研究、开发与设计的理论基础。在化学工程与工艺教学计划中,《化工热力学》课程属于专业必修核心课程,在大三年级上学期开设。《化工热力学》课程的特点是理论性强,概念多而抽象、公式繁多。众多学子容易对该课程望而生畏。因此,要教好这门课程,首先要把相关基本概念和理论的来龙去脉介绍清楚;其次,要向学生介绍、分析各个章节之间的区别与联系,将他们有机地联系起来;更为重要的是结合生活实际,将理论知识用于分析和处理解决实际问题,帮助学生了解所学课程在实际生活和生产中的应用,激发他们的学习热情,提高教学效果。使得学生们在今后的工作中能灵活运用所学的化工热力学知识解决化工生产中碰到的现实问题。
三、《化工热力学》课程知识体系
《化工热力学》课程的知识体系包括:流体的热力学性质及其相互关系;热力学的基本定律及其应用;相平衡和化学反应平衡。
1.流体的热力学性质及其相互关系:熟悉纯物质的P-V-T相图及相图上的重要概念。掌握维里方程及其应用,掌握R-K方程、SRK方程及P-R方程等三次型状态方程,能应用三次型状态方程计算气体和液体的摩尔体积,了解多参数状态方程在化工过程中的应用。理解对比态原理,掌握偏心因子和三参数普遍化关系。学会用Antoine方程计算饱和蒸汽压。会用二元插值法求热力学数据。熟悉液体的P-V-T性质的计算及真实气体混合物性质的计算。学会运用状态方程和普遍化关系式来计算能满足工程需要的流体的焓、熵等热力学性质。掌握由单相纯物质性质计算两相区纯物质性质的方法,掌握工程上常用热力学图表的使用方法。正确理解偏摩尔性质、化学位、逸度、混合性质变化、超额性质和标准态等概念。掌握均相流体混合物热力学性质关系式,会使用活度系数关系式,了解由状态方程和混合规则推导混合物中组分逸度系数关系式的过程,学会逸度和逸度系数计算方法。学会利用网上资源查找和计算热力学数据。
2.热力学的基本定律及其应用:正确理解热力学第一定律和热力学第二定律,熟练掌握这两个基本定律在工程上的应用,理解能量的可利用程度或品质的高低,明确认识能量损失不仅是数量上的损失,还包括由于过程的不可逆性所导致的能量品级的降低。掌握将热力学第一定律应用于动力循环和制冷循环中,进行热量、制冷量、功耗和循环效率的计算,进一步理解合理利用能源的意义和途径。
3.相平衡和化学反应平衡:掌握不同形式的二元汽液相图,了解一般正偏差、一般负偏差和具有共沸点系统的相图特征。掌握汽液平衡关系式及其应用,掌握完全互溶体系在中低压下汽液平衡的计算方法,能借助于软件用活度系数法和状态方程法进行汽液平衡计算。熟悉化学平衡判据、反应进度、化学平衡常数及其对气体反应的应用。
四、《化工热力学》的教学内容安排
《化工热力学》课程由四名教师组成的教学团队进行讲授,以理论课为主,辅以实践教学。南昌大学的《化工热力学》的教学时数为54学时,其中理论课的教学时数为48学时,实践教学时数为6学时。理论课教学的课时数安排为:流体的热力学性质及其相互关系23学时,热力学的基本定律及其应用16学时,相平衡和化学反应平衡9学时。实践教学我们采用了课程设计的形式。用6课时当堂做一个小的课程设计,对一具体的化工过程进行热力学分析,提高教学的实用性。
五、《化工热力学》课程设计
在化工生产中经常遇到的重要课题之一是合理用能和提高能量利用率。要提高能量利用率就必须确切地、定量地回答以下一些问题:一个过程或单位产品的理论能耗是多少?节能的潜力有多大?能量浪费了多少、是怎样分布的?引起能量损耗的原因是什么?实际生产过程中有哪些不合理的用能情况?如何针对性地进行工艺和设备的改进和改革?这些问题都有赖于依靠热力学的基本原理、定律和热力学分析法去解决。热力学分析法有两类:第一类分析法是能量衡算法,即基于热力学第一定律,通过能量衡算确定过程或设备的能量“收支簿”,查明能量的损失数量和能量利用率,它的主要指标是第一定律效率ηⅠ,一般称为热效率。能量衡算法是工艺设计和设备设计的基础,并对了解过程中能量的损失量和位置有一定作用,但是由于ηⅠ不反映不同质量能量的利用率,常导致得出错误结论,所以这个方法不足以描述过程或装置在能量利用上的真正完善程度。第二类分析法包括熵分析法(熵增法)和火用(有用能、可用能)分析法,即以热力学第二定律和第一、第二定律的结合为指导,以作功能力的损失和第二定律效率ηⅡ(常用的为火用效率ηE和热力学效率ηa)为指标,对过程或装置的能量转化、利用和损失进行分析。熵分析法通过计算不可逆过程熵产生量,确定过程的火用损失率和热力学效率,它表明过程能耗的主要原因是不可逆因素造成的有效能(火用)损失,节能重点是降低不可逆损耗功。火用分析法则进一步克服了熵分析法无法求出排出体系的物流火用的缺点,能同时求出体系内部的不可逆火用损和排出体系的物流火用。第二类分析法可以正确反映过程或装置的热力学完善程度,准确查明实际过程的能量损耗或损失情况,为提高能量利用率指明途径和方法。《化工热力学》在进行完课堂理论教学之后,安排以化工过程热力学分析为内容的课程设计,正是希望同学们通过对化工过程实例的分析计算,将理论知识联系生产或工程实际,提高分析问题、解决问题的能力,为今后深造和从事科研及工程技术工作打下扎实的热力学基础。
本课程设计的内容为;年产30万吨合成氨厂冷冻工段制冷过程的热力学分析。凯洛格公司(KelloggCo。)设计的年产300000吨(日产1000吨)合成氨厂,将工艺与动力系统紧密配合、综合利用能量,极大地降低了能耗(由88.34×106kJ/TNH3降为40×106kJ/TNH3)。其冷冻(制冷)工段的设计很有特色——合成工段来的循环气和新鲜气经过三级氨冷,温度由380C逐级降到-230C,冷冻系统的液氨亦分三级闪蒸,三种不同压力的氨蒸汽分别返回冰机(氨压缩机)相应的压缩级中,比全部氨气一次压缩到高压、冷凝后一次蒸发到同样压力时冷冻系数大、功耗小,对冰机的要求也相应降低。根据具体的工艺流程和工艺参数,我们要求同学们对年产30万吨合成氨厂冷冻工段的制冷过程进行热力学分析,完成以下作业:①在T-S图上绘制冰机三级制冷循环图,并与一级制冷循环图比较。②对该流程和设备进行物料和能量衡算、熵分析和火用分析,计算过程和设备的能量利用率、冷冻系数ξ等热力学指标,比较三种热力学分析法的计算结果。③分析该冷冻流程设计在能量利用方面的优点及问题,得出必要的结论;多年的教学实践证实:课程设计的引入极大地提高了同学们对许多能量分析法的理解和公式在实践中的运用,调动了同学们对此门课程的学习兴趣,促进了教学效果。
参考文献:
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基金项目:本研究是江西省教育厅和南昌大学《化工热力学》精品课程建设、化学工程与工艺特色专业与示范专业建设项目
作者简介:王敏炜(1968-),女,教授、博士。
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