“双碳”背景下化工过程与设备教学效果提升的思考与实践

摘  要：该文分析“双碳”背景下，在针对化工专业本科生的化工过程与设备课程教学中引入新能源化工过程及微反应器等化工设备的必要性和作用，并提出结合典型的工艺流程，更加系统地介绍储罐、反应器、换热器和塔设备等功能及选型设计思路，加深学生对相关内容的理解。同时结合CFD技术和互联网在线课程资源与现代教学方法，以及专业英语术语的介绍，来提高课程的实用性和学生的学习兴趣，培养学生的主动性。结合教学实践，对以上措施进行教学效果的提升和验证。

关键词：化工过程与设备；双碳；CFD；新能源；教学实践

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）08-0118-04

Abstract： This paper analyzes the necessity and role of introducing new energy chemical process and microreactor into the course of Chemical Process and Equipment for undergraduates majoring in chemical engineering under the background of carbon peaking and carbon neutrality， and proposes to introduce the functions and selection design ideas of storage tank， reactor， heat exchanger， tower equipment， etc.， more systematically in combination with typical process flow， so as to deepen students' understanding of related content. At the same time， CFD technology， Internet online course resources， modern teaching methods and the introduction of professional English terms are combined to improve the practicality of the course and students' learning interest， cultivate students' initiative， and improve and verify the teaching effect in teaching practice.

Keywords： Chemical Process and Equipment; carbon peaking and carbon neutrality; CFD; new energy resources; teaching practice

化工过程与设备是针对化学工程专业大四年级开设的一门专业选修课，主要介绍压力容器的强度理论、GB150规范化设计，储存设备、换热设备、塔设备、化工反应器的分类、结构型式、结构特点、设计基本理论、性能关键影响因素以及近代新技术进展等内容。该课程是过程装备与控制工程专业过程设备设计[1]课程的缩减版。课程的目的是使学生掌握从材料、设计、制造和检验等方面对压力容器进行综合分析的方法，掌握典型过程设备的结构特点，并具备压力容器和典型过程设备的初步设计能力。

该课程先修课程包括大学化学、材料力学、理论力学、传热学、流体力学和单元操作等课程。该课程不仅为学生提供过程设备设计所必要的基础理论知识，也为学生以后从事化工工艺流程设计、化工设备与系统的设计及优化、涉及化工过程的交叉学科研究等方面的工作打下必要的基础。

但是，过程设备种类繁多、结构复杂，课程概念、图表、公式繁多，各章节相对独立，重点分散，具有学科交叉性较强、传统设计与制造特色明显等特点。学生在学习化工过程与设备的过程中普遍感觉物理规律抽象且深奥，缺乏直观认识；典型过程设备结构细节复杂，设计原理设计方法较难，设计步骤设计公式繁琐、公式演算复杂以及内容繁多不好理解；理论和实际应用脱节等问题。加之大四上学期大多数学生受考研等因素的影响，上课积极性不高。而课程总学时只有32学时，教学难度无疑更大，从而导致授课效果欠佳。

因而，如何充分结合“双碳”背景，与时俱进，化难为简，并增加课程趣味性、先进性，提高学生学习积极性和接受程度，确保教学效果，成为本门课程教学的重点和难点。已有不少过程设备设计教师提出了自己的看法和措施[2-12]， 通过合理设计教学环节、组织教学内容来提升教学效果。考虑到化工过程与设备的受众、学时等与过程设备设计有较大的不同，笔者针对化工过程与设备授课实践过程中存在的问题提出以下几点思考。通过紧密结合“双碳”背景和学科发展趋势，在教学中引入新能源如氢能、太阳能化工过程及生物化工、微反应器等领域化工设备的介绍；结合CFD技术和互联网在线课程资源及现代教学方法，使内容更加形象化、讲解更加生动化，并鼓励学生进行实际操作；同时结合典型工艺流程系统对本课程涉及到的关键设备功能及选型进行系统的介绍。最后加强对专业英语术语的介绍，从而提高课程的实用性和学生的学习兴趣，培养学生的主动性，并在实践中进行教学效果验证和提升。

一  教学内容与“双碳”背景和学科发展紧密结合

能源短缺严重、环境污染是现如今人类社会面临的共性问题。随着国家全面推进“碳达峰、碳中和”的发展趋势，绿色低碳化工得到广泛关注。为了更加契合“双碳”背景和学科发展趋势，并最大限度地减少课程内容之间的交叉，对传统化工过程设备如换热器、塔器等在化工原理、反应器设计、传热学等先修课程中已经介绍过的内容进行适当删减，增加新能源化工设备相关内容，如氢能、太阳能化工、生物化工过程设备及微反应器设计等内容。

其中，利用太阳能光伏光热并结合储能系统进行化工生产是实现低碳、清洁、可持续发展的最为有效的措施之一。热化学储能、太阳能光热催化等也越来越多地成为研究热点。如利用熔盐塔式光热/光化学系统实现绿色化工生产，可通过定日镜场将太阳光聚焦到塔顶部的吸入器上，吸热器中用熔盐循环带出热量，热量再产生蒸汽，为后续化工生产提供热源（图1），实现节能减排或清洁、绿色化工。该系统中涉及到化工过程与设备课程的所有章节，包括压力容器、存储设备、换热设备、塔设备和反应器等。因此作为专业选修课，对大四的学生介绍学科发展趋势，并在换热器以及反应器设计章节将太阳能光/热化学系统中集热器、热化学储能、光/热反应器与传统换热器，以及反应器设计有机结合并互为补充，可有效地拓宽学生视野，激发科研兴趣。

图1  太阳能供热的化工反应流程示意图

氢能作为清洁能源的重要组成，其作为能源载体有清洁环保、能量密度高、来源广、用途多和可支撑可再生能源规模化发展的天然优势。因而未来氢能过程与装备在未来能源、化工领域亦具有举足轻重的作用。同时氢能产业链较长，包括制氢、储氢、加氢和用氢等多个环节，涉及到的行业和企业也众多，特别是电解水制氢、固态储氢、液态储氢、氢气液化、高压输氢、加氢站和氢燃料电池等，是目前研究的热点，也是未来化工专业学生深造和就业的主战场之一。因此，对介绍压力容器、储存设备等章节时有必要对氢能存储设备如高压气瓶、氢气储罐及液态储氢容器的分类、结构、性能和国内外发展趋势等进行介绍，并对氢能产业链中涉及到的其他过程装备如氢燃料电池、输氢管道、加氢站关键装备等进行拓展，扩大学生知识面，提高学生未来在氢能领域就业的适配性。

此外，随着大化工、微反应器、生物化工的发展，换热装备也朝着极端工况发展。而传统的管壳式换热器，包括结构、特征、关键部件工作原理、选型等内容，与化工原理课程部分章节高度重合。因此，在换热设备章节，可适当减少管壳式换热器部分内容的介绍，增加先进强化传热理念和内容，如适用于高温高压的换热装备印刷电路板换热器，或适用于生物化工的微流控微纳尺度热交换器等，介绍高温高压换热设备材料选型、微纳流体流动换热特征等，既可强化学生应用能力的塑造，也可培养学生的创新能力。

通过这些内容的引入，丰富了课程内容和体系，拓展了学生的视野，为学生将来在学科内的研究和发展加以引导，刺激其求知欲，激发学生从事相关学科研究工作的兴趣。

二  在教学中引入数值仿真技术和互联网在线课程资源及现代教学方法

如前所述，课程部分内容如压力容器及支座进行应力分析中应力分布规律抽象，缺乏直观认识。而随着商业软件的普及，数值模拟已经进入了一个快速应用的阶段。采用有限元数值仿真可直观地展现各危险截面的应力状态，并对复杂结构进行详尽的应力分析，如图2所示（压力容器封头处应力分布），是目前化工过程与设备设计制造中不可或缺的设计工具。因此在教学中引入数值仿真技术可图像化地展示课程中讲述的力学规律，对增强学生的直观认识，加强对压力容器设计中基本概念、规律的理解和掌握，加深学生印象有很大帮助。

再如介绍换热器结构设计时，采用数值仿真手段可形象地展示温度场/流场分布，进而加深学生对管箱、折流板、强化管等结构的认识，如图3所示（管壳式换热器流动死区及折流板作用）。通过在课堂上讲述一部分数值仿真技术的入门知识，鼓励学生独立地动手来模拟、探索现象，增加学生参与性实践操作内容，并增加学生对数值仿真技术的认识，可有效地培养学生的研究性思维和解决实际问题的能力，并提高相应的计算（包括理论分析和数值计算）能力，为今后研究生学习及工作打下基础。

图2  压力容器封头处应力分布

此外，对于压力容器、换热装备、塔器等工作过程的介绍，尽可能地引入、借鉴互联网课程相关动画和流程设计演示[6，13-16]，进一步加强学生的直观认识。

但是，为了达到良好的教学效果，必须合理设计以上教学内容，选择恰当知识点和案例，使数值仿真和现有内容如应力分析、结构设计有机结合，使得学生易于理解和接受，并激发学生的学习兴趣，否则相关内容的引入不仅不能帮助学生们学习有关内容，反而会额外增加新的疑问和负担。

三  结合典型工艺流程系统介绍设备功能及选型

在以往教学过程中，各章节内容相对独立，关联性较小，不利于学生对设备间协同作用的认识和理解。实践中选取一个典型的完整工艺流程，如煤制氢过程对本课程涉及到的关键设备进行系统介绍。

煤制氢工艺过程一般包括煤气化、煤气净化、一氧化碳变换及氢气提纯等主要生产环节，将煤炭与氧气发生燃烧反应，进而与水发生反应，得到以氢气（H2）和一氧化碳（CO）为主要成分的气态产品，然后经过脱硫净化，一氧化碳继续与水蒸气发生变换反应生成更多的氢气，最后经分离、提纯等过程得到一定纯度的产品氢。以流化床煤气化为例（图4）[17]，料仓中的原料经给煤机加入气化炉进行反应。气化炉内供空气燃烧和供蒸汽气化两个阶段交替进行。供空气燃烧阶段，打开空气换向阀和烟气换向阀，启动风机，空气经空气预热器进入气化炉，料层在流化状态下燃烧，产生的高温烟气依次进入旋风分离器、余热锅炉、烟气换向阀后进入空气预热器和空气进行热交换，再经除尘器后从烟囱排出。床层温度上升到1 000 ℃后停止供空气。关闭空气换向阀和烟气换向阀，打开蒸汽换向阀和煤气换向阀，气化炉进入水煤气反应阶段。余热锅炉产生的蒸汽经缓冲气包及蒸汽换向阀进入气化炉内，料层发生气化反应，产生的粗水煤气依次经过旋风分离器、余热锅炉、煤气换向阀后进入洗气塔、气柜。床层温度下降到900 ℃后停止供水蒸气，气化阶段结束。再次调节阀门，使气化炉进入空气流化燃烧阶段。

以上工艺流程涉及了化工过程与设备课程所介绍的全部关键设备，包括储罐、反应器、换热器和塔设备等，针对不同的工艺流程与工质特点，结合工艺流程和系统进行介绍，有助于学生从系统层面认识和理解课程内容，增强对工艺参数和设计参数的掌握程度。