以文丘里投药设备项目驱动化工原理教学的探索与实践

曹井国李 霞曹晓乐吴志国王春虎杨宗政

（1.天津科技大学化工与材料学院，天津 300457；2.天津大学药物科学与技术学院，天津 300072）

化工原理课程是理工科的基础课程，也是一门工具学科，它能帮助科研及工程人员实现从科学研究到实际生产、从理论设计到现实产品的跨越。但是，作为一门传统课程，在教学过程中学生普遍反映公式多，难以掌握，此外，在进行单元操作学习过程中，学生对课程系统性和整体性理解较差，往往不能主动相互联系，被动“灌输”，教学效果不好，补考率和挂科率较高。为提高教学效果，教学部引进了单元操作实训装置，构建了从小试到中试的实验训练平台，已经能够较好的展示化工原理单元操作的完整过程，但由于过于单元化且操作过程相对复杂，学生接受程度较差，不容易上手，虽和实际工程接近，但没有收到应有的教学效果。

近年来逐渐兴起的以项目驱动为主线的教学法为解决这一问题提供了新思路。项目驱动教学（Project Based Teaching）模式是一种建立在建构主义（Constructivism）教学理论基础之上的教学法，同时也是 CDIO（Conceive、Implement、Design、Operate，即构思、设计、实现、运行）理念所倡导的教学模式[1-2]。在这一过程中，通过项目驱动教学模式来提高学生综合素质，这为弥补理论和实践之间的差距提供了有力工具。

本教学部探索了项目驱动法在化工原理教学中的实践和应用，取得了良好的教学效果，调动了广大学生的学习积极性[3]。针对新工科认证关于解决复杂工程问题的要求，仍需构建具有鲜明教学特色的项目以推进项目驱动法的应用，本文以文丘里投药设备的研究与开发为例，介绍本教学部在化工原理教学改革方面的经验。

一、项目实施技术路线及可行性

以文丘里管投药设备作为研发对象，该设备可实现大水面湖泊及宽水面河道的投药作业。项目实施中吸收国内外现有技术，结合城市河道湖泊景观水体环境方面等因素，进行城市景观水体原位修复新型专用投药设备的研究与开发，充分考虑城市景观水体原位修复新型专用投药设备应用的场合，针对设备投药过程中的相关问题进行完善并优化；在工艺设计的基础上，完成设备设计、结构设计和外观设计。指导学生通过方案设计、详细设计和装配设计，经课上学习和课下讨论、校核，并组织学生到生产企业交流，安排样机的生产，采购标准件，加工制造非标准件，完成设备的整体的装配，通过联机调试，完成设备性能的测试，对照已有的工艺设计及功能要求，反复修正设备制造的工艺参数及功能参数；通过实际运行，验证产品的投药效果。

投药设备的核心单元采用文丘里原理，在《化工原理》上册第一章流体流动单元所学的流体计量设备，所学文丘里管是用于流体计量，在第三章固体流态化和机械分离，进行旋风分离器的演示实验中，采用文丘里管将洗衣粉吸入空气中，以便于模拟离心沉降过程，学生根据《化工原理》流体流动及输送机械等知识，在检索大量文献的基础上，进行文丘里投药工艺及设备的研究与开发。根据野外作业要求设计任务，解决文丘里投药设备工艺流程和抽吸流量等设计型问题，通过吸药和喷洒实验，修正操作参数，解决文丘里投药过程的操作型问题，并通过课堂展示的形式进行交流互动。

二、文丘里投药设备的工艺流程

学生通过检索文献，根据化工原理课程相关知识，基于野外作业的要求，设计了文丘里投药装置，工艺流程如图1所示。

图1 文丘里投药装置工艺流程图

由图1可知，设计的工艺流程为，将固体药剂投入溶药槽，水泵出水口管的一个支管与溶药槽相连接，固体药剂在溶药槽与来水混合并溶解；水泵出水口管另一个支管输送出的压力水，经过流量计、压力表至文丘里管，文丘里管下端设抽吸管，用于抽吸溶药槽中的药剂，抽吸上来的药剂与压力水在管道后端混合后，输送至穿孔管喷头，通过喷头向水体中喷洒，达到药剂投加的目的。此过程涉及的知识有流体流动和流体输送机械，涵盖管路计算和管路调节等。

投药设备采用文丘里原理，高速流体流经文丘里管时，在文丘里管喉部形成负压，从而抽吸溶药槽中的药剂，药剂和压力水混合后输送至穿孔管喷头完成喷洒。文丘里投药设备的优点是其装置简单，操作方便，没有运动部件，体积小，成本低廉而且吸药溶解均匀；缺点是在吸药过程中水头损失相对较大，只有当文丘里管的进口压力达到一定值时才能吸药，一般的水头损失为进口压力的1/3左右，工作时对压力和流量的变化相对较为敏感，其运行过程中工况的波动同时会造成药剂投加量的波动。在教师指导下，项目组同学搜集了关于文丘里管原理的资料[4-6]，并调研多个生产厂家不同规格的产品，选择了适合本项目的文丘里管（如图2所示）。投药设备采用扬程为50m，流量为8m3/h的柴油机水泵作为流体输送机械，项目组同学对文丘里管吸药能力进行了理论计算。

图2 文丘里管

三、文丘里管吸药能力的计算

根据现场条件，进口管路内径为44mm，流体输送流量约为8m3/h，运行中监测文丘里管上游压力表读数约为200kPa，忽略压力表与管中心线距离，文丘里管喉管和吸药管直径均为11mm，吸药管下端插入储药槽中，槽内水面到中心线距离为0.5m。截面分析如图3所示。

图3 文丘里管截面分析

分别以文丘里管进口处、喉管处及吸药管末端作为研究对象，计算过程如下：

首先以进口截面和喉管截面为上下游（1-1和2-2）截面列机械能衡算式：

式（1）中：z1、z2——进口截面和喉管截面处位头，m水柱；

hf1-2——进口截面到喉管截面处水头损失，m水柱，可忽略；

式中：d1、d2——进口截面和喉管截面处直径，m；

即理论上可以产生5.8m水柱的真空度，由上述计算结果可知，喉管处负压与进口压力及喉管处流速关系密切，微小变化就能引起极大的差异。

以储槽液面和管中心截面为上下游截面 （3-3、4-4）列机械能衡算式，有：

公式（2）中：z3、z4——储液槽液面和管中心处位头，m水柱；

hf3-4——进口截面到喉管截面处水头损失，可忽略；

已知 z3=0，z4=0.48m，p4=p2，u3=0， 计算得 u3=3.25m/s，吸药管流量为：

通过课上讨论及课下作业，安排全体学生对本部分内容进行了计算，通过讲解，使学生对文丘里管的特征尺寸的计算有了更直接的认识，对化工原理中的机械能衡算式应用，特别是截面选取、连续性方程有了更为深入的认识。

四、文丘里管吸药能力的验证

为了验证文丘里管的吸药能力，在教师指导下，由项目组同学设计了三组实验，将锁磷剂粉末配置为5%、10%、20%的3种浓度药剂，装入2L的塑料瓶中，按设计高度摆放，对吸药完成时间进行计时，计算抽吸流量，操作时控制文丘里管入口流量为8m3/h，入口压力约为200kPa，实验结果如表1所示。

表1 液体药剂投加实验

由表1可知，文丘里管吸药实验过程中，在药剂浓度分别为5%、10%和20%情况下，液体药剂的吸上流量分别为18.0L/min、17.6L/min和17.5L/min，对应固体药剂投加量分别为9kg/min、1.76kg/min和3.5kg/min，当药剂浓度为20%时，投药量可达到设计要求。之后，在文丘里管出口管路上安装横向穿孔管，对喷洒效果进行了观察，如图4和图5所示。

图4 加药装置

图5 喷药实验

实验过程发现，由于穿孔管穿孔面积小，导致阻力损失较大，在穿孔管前端压力较高，导致文丘里管吸液量减少，项目组同学研究后，决定将穿孔管打孔直径由3mm扩增到5mm，平衡吸液量和投药量之间的关系，结果表明，喷洒距离可达1-2m，满足设计要求。之后，由外聘的两名工程师进行了应用试验，验证实际投药效果，试验在天津市东丽区某池塘进行，其现场投药效果如图6所示。

图6 实地投药试验

柴油泵和溶药箱总重约为150kg，运行重量约为300kg，由图6可知，投药装置能够安放到橡皮船中，在湖泊或河道内移动，由两人操作，可实现药剂的喷洒，能够满足设计要求。

通过实验验证，在解决操作性问题的同时，项目组的同学们对课程的理解更为扎实，学生们的动手能力和解决实际问题的能力得到了较好的锻炼，并获得了成就感，坚定了学好本门课程的信心。通过课堂展示的形式，将项目设计过程和操作过程与同学们分享和交流，进一步提高了学生的表达能力，课堂气氛活跃，提高了其他同学对于本部分知识的理解，辐射作用效果明显，为进一步开展项目驱动教学奠定了基础。

五、结束语

在课题实施过程中，先后共有2批次共8名在校大三本科学生组队参与了本项目。在指导教师的引导下，结合所学化工原理知识，系统地进行了产品的工艺设计、文丘里吸药管的计算、实验验证和产品调试运行等过程，通过实际项目的训练，在项目驱动教学思路下，使学生深刻理解设计型问题和操作型问题，通过团队协作，动手操作，理论联系实际，巩固了流体流动和输送机械的相关知识。

采用项目驱动教学法，有助于加深学生对所学化工原理知识的理解，提高系统性和完整性，领会设计型问题和操作型问题的区别，加深理论联系实际的认识。通过资料检索使学生们带着问题有目的的去检索关于文丘里管应用方面的资料，从而深入理解了文丘里的原理，拓展了学生的知识面；通过工艺设计理论计算环节，使学生对文丘里管的特征尺寸的计算有了更直接的认识，对化工原理中的机械能衡算式应用、连续性方程应用和截面选取等知识内容进行了巩固。在实验操作和产品制造环节还能培养学生们的动手能力和团队协作意识。通过以上各个环节的训练使学生主动学习相关知识并灵活应用，最终得到自己设计出的产品，获得成就感，增强学习信心。

本项目基于流体流动及输送机械原理进行设计、实验和运行，与化工原理课程结合紧密，该项目实施过程，涉及到化工原理课程多个知识点，有助于学生对课程的理解，综合解决设计型问题和操作型问题，培养学生解决复杂工程问题能力，适合作为项目驱动教学法下的教学案例，基于此形成的成果还可作为学生创新创业比赛的素材，发挥化工原理课程的应用和创新价值。