淺析化工基礎課程中的工程研究方法

韋巖松

(河池學院 化生系,廣西 宜州 546300)

淺析化工基礎課程中的工程研究方法

韋巖松

(河池學院 化生系,廣西 宜州 546300)

對化工基礎課程中的工程研究方法進行了歸納和分析,著重討論了量綱分析法、數學模型法、參數歸并法、當量法和分類歸納法等工程研究方法的原理、特點及應用,探究了在化工基礎教學中培養學生工程觀念、拓寬學生學習思路、提高學生分析問題和解決問題能力的方法和途徑。

化工基礎;工程研究方法;量綱分析;數學模型

化工基礎是化學、應用化學及應用化工技術等專業的一門主干專業基礎課,課程的核心內容是化工單元操作,以傳遞過程及工程研究方法論為主線貫穿始終。它主要講授化工單元操作過程中流體流動、傳熱和傳質的基礎理論,介紹化工過程中各主要單元操作的基本原理及相應的典型化工設備。該課程強調對學生工程觀念和經濟觀念的培養,著重訓練學生定量運算的能力和實驗操作能力,以提高學生觀察工程問題、分析工程問題和解決工程問題的能力為目標,是一門理論與實踐緊密結合的應用性課程。然而由于在校的大學生對社會實踐和工業生產缺乏了解,不具備實際工程經驗,在學習和理解時存在一定的困難,因此在課程教學的全過程中,應該著重介紹工程研究的思維方式和基本方法,強調工程方法的實用性原則和可操作原則,幫助學生逐漸樹立工程觀念,掌握工程研究方法。

一般來說,基礎學科 (如物理化學)的研究對象是簡單、理想化或標準化的物理模型,因此可采用嚴密的數學分析方法來解決問題;而化學工程屬于應用工程學科,它面對的是真實、復雜、具體的實際生產問題,需要用獨特的工程實驗研究方法來處理。這些方法和原則貫穿于化工基礎課程的每一個環節,應用于化學工程的各個領域。為了更進一步的學習、運用和提高,本文根據多年的化工基礎課程教學的實踐和體會,對化工基礎課程中的各種工程研究方法進行了研究和歸納。

一、量綱分析法

流動阻力的計算在化工基礎課程中是一個重點和難點,與很多變化因素有關,尤其受流體的流動形態影響。層流時,流體內部的剪應力滿足牛頓粘性定律,因此可直接推導出流體的阻力損失計算式;而當流動狀態為湍流時,由于流體內部存在不規則的脈動質點,形成了無數消耗能量的小漩渦,此時流體流動的剪應力不能簡單地用牛頓粘性定律來表示,因此不能用數學解析方法推導出摩擦阻力損失的關系式。為此,化學工程上采用一種獨特的實驗研究方法——量綱分析法來建立經驗關系式[1,2]。

在實驗時,每次只能改變一個變量,而將其它變量固定。若過程涉及的變量很多,則實驗工作量必然很大。例如影響摩擦系數的因素有流體的密度ρ、粘度μ、流體流動的平均流速 u以及管道的直徑 d和管壁的粗糙度ε,因此,摩擦系數λ為多個變量的函數,即

按通常實驗方法,是先固定五個變量中的四個而改變其中的一個,測定該變量對摩擦系數λ的影響,然后按此方法依次測定每個變量對λ的影響。若每個變量改變五次 (五個水平),則一共需要進行 55=3125次實驗。這種方法顯然過于繁雜,而且將實驗結果關聯成形式簡單便于應用的公式也很困難。

采用量綱分析法可有效解決這一問題。先將許多影響因素歸納整理成數量不多的幾個特征數——無量綱數群,然后以這幾個特征數為變量進行實驗,就可以大大減少實驗中自變量的個數,從而大幅度減少實驗的次數,同時關聯數據的工作也能得到簡化[3]。

量綱分析法的基礎是量綱一致性原則,即每一個物理方程式的兩邊不僅數值相等,而且每一項都應具有相同的量綱。其基本依據是白金漢(Buckinghan)的π定理:任何量綱一致的物理方程都可以表示為一組無量綱數群的零函數。無量綱數群的數目等于影響該現象的物理量數目減去用以表示這些物理量的基本量綱的數目。該方法的最大特點在于它不是直接尋求單因素之間的關系,而是通過無量綱化處理,將眾多的單因素變量組合成數目較少的無量綱變量,然后求取無量綱變量之間的函數關系。

數學上常以冪函數來無限逼近未知的待求函數,為了簡化,暫不考慮管壁粗糙度ε對λ的影響,則式 (1-1)可改寫為以下冪函數形式:

二、數學模型法

數學模型法就是利用數學模型解決實際問題的方法。數學模型是聯系一個系統中各變量間內在關系的數學表述體系,通過符號、函數關系將評價目標和內容系統規定下來,并把互相間的變化關系通過數學公式表達出來。

在實際工程問題中,變量之間的相互關系是十分復雜的,因此常用建立模型的方法來解決問題。具體方法是:先在分析的基礎上作一些近似標準化或理想化的簡化和假設,建立一個物理模型,然后通過物料衡算、能量衡算等找出模型參數之間的關系,建立數學模型,通過數學模型的求解得到模型參數,最后通過實驗來檢驗模型的準確度并進行修正。例如,在研究管式反應器的流動模型時,首先要明確研究的目的是獲得反應器內物料的停留時間分布及與轉化率的關系,然后假定在連續操作管式反應器內,當流體流動處于高度湍流狀態時,流動邊界層所占有的物料量小到可忽略不計,反應器的任何橫截面上無速度梯度,器內所有物料微團的流速均一,齊頭并進,有如活塞向前推進一樣,從而建立起理想管式反應器的流動模型——“活塞流模型”,在面對實際管式反應器時,考慮到一定程度的返混和阻力,在活塞流模型的基礎上,迭加軸向擴散,得到非理想流動的軸向擴散模型,較好地解決了實際工程問題。

數學模型法具有評價問題抽象化和仿真化、各參數由與評價對象有關的因素構成、能明確表達出各因素之間的關系等基本特征。

與量綱分析法相比較,數學模型法的基本點是對研究過程進行深刻理解,把握住過程的本質特征,其前提條件是能找到對復雜過程進行合理簡化的有效方法,進而建立起在某種程度上與真實過程等效或相近的物理模型;而量綱分析法則更注重過程的外部聯系,考察宏觀統計的結果而允許忽略過程的內在規律。

三、參數歸并法

參數歸并法是將系統中的若干個類型相同或相近的參數以特定形式歸并成一個新參數,從而減少參數數量,明晰主要變量與結果的關系,并減少眾多單個參數在測量、計算時的困難和麻煩的一種工程研究方法。例如,在推導氣相傳質速率方程時,將下列參數歸并為氣相對流傳質系數:式中δG表示氣相當量膜厚度,其值在實際中難于被準確測定,是一個模型參數。而通過參數歸并,就能將眾多的參數及難于測定的參數轉變成相對較容易測定的氣相對流傳質系數 KG,實驗時只須用真實物料測定KG,而不必測量各單個參數,這樣就減少了過程中需要計算的參數,使問題得到簡化[4]。

四、當量法

工程處理上,常用一個已知的、較為簡單的過程或參數去代替另一個未知的、較為復雜的過程或參數,使兩者的某一方面過程特征產生等價,從而使一些復雜問題得以簡化處理。例如在傳質過程機理中,湍流流體與兩相界面之間的對流擴散既包含流體主體內的渦流擴散,也包含緊靠相界面處滯流層中的分子擴散,而渦流擴散系數 DE是雷諾數的函數,與流動系統的結構尺寸、流速、流體的粘度以及密度等因素有關,計算過程十分復雜。為此引入了“有效膜層”(即當量膜)的概念,將過渡層內的渦流擴散折合為通過一定厚度的靜止氣體層的分子擴散,這一靜止氣體層就是有效膜層,這樣就可以認為由氣相主體到界面的擴散相當于通過厚度為LG的有效膜層的分子擴散,所有的濃度梯度(或分壓梯度)都集中在這一膜層內,膜內的傳質以分子擴散的方式進行,于是就可以用分子擴散速率方程來描述對流擴散速率,從而大大簡化了計算過程。

化工基礎中當量法的應用例子還有很多,如引入當量直徑用圓管內有規律的流動形態代替非圓管內的復雜流動過程;引入當量長度以直管的沿程阻力損失計算來代替管件、閥門復雜的局部阻力計算;引入當量膜厚度的概念,將傳熱過程中層流底層內的熱傳導以及層流底層外的傳導加對流這一復雜過程轉化成了當量膜厚內的簡單熱傳導過程等。

五、分類歸納法

化學工程上常有一些互為關聯的多因素多變量復雜體系,其實驗工作量巨大而繁雜。對此,可首先對系統進行分類,將復雜過程歸納并分解成幾個相互平行但互有關聯的子過程,然后分別對這些子過程進行研究,尋找子過程各自的規律以及各子過程之間的相互關系,最后綜合歸納,評價過程的總體效應,這就是分類歸納法。

例如在進行吸收塔填料層高度的設計計算時,由于氣、液兩相中的溶質組成沿填料層高度連續變化,各截面上的傳質推動力均不相同,塔內各截面上的吸收速率亦各不相同,所以填料層高度的計算成為一個復雜的多變量計算過程。為了簡化問題,工程上引入了傳質單元數和傳質單元高度這兩個概念,將過程與設備加以分解:

填料層高度 =傳質單元數 ×傳質單元高度

傳質單元數相當于單位推動力驅動傳質時,所能引起混合氣體組成的變化。它與物料進口、出口濃度有關,還與物系的相平衡常數有關,而與吸收塔的結構以及氣相流動條件沒有關系,它體現了物料分離的難易程度以及工藝方法和條件對吸收過程的影響;傳質單元高度相當于完成一個傳質單元分離任務所需要的填料層高度,與氣相流動條件及設備的結構有關,其數值的大小反映填料性能的好壞,是吸收設備性能優劣的反映。在進行設備選型時,可通過對傳質單元數的計算分析來判斷和選擇適合的設備。若傳質單元數偏大,則可能是分離要求過高設備無法完成或選用的吸收劑能力不足,可調整分離要求或改變吸收劑的種類,以便增大過程推動力,達到減少傳質單元數和降低填料層高度的目的。由此可見,通過分類歸納,復雜設備及過程得到了合理的分解和簡化,這是處理復雜工程問題的又一種有效方法。

總之,工程研究方法是化工基礎課程的重點和精髓,完整、正確、生動地講授工程研究方法,是培養學生工程觀念、拓寬學生學習思路、提高學生分析問題和解決問題能力的重要途徑。

[1]武漢大學.化學工程基礎[M].北京:高等教育出版社.2001.

[2]蔣維鈞,戴猷元,顧惠君.化工原理[M].北京:清華大學出版社.2003.

[3]萬惠萍,楊華.化工原理教學中類比教學法的探討與實踐[J].中國輕工教育,2007,(2).

[4]王維德.化工原理教學應重視培養學生解決工程問題的能力[J].化工高等教育,2006,(2).

G642.4

A

1672-9021(2010)S-0037-03

韋巖松 (1964-),男,廣西宜州人,河池學院化生系講師,主要研究方向:化學工程、化工礦物加工和環境工程。

2010-06-20

[責任編輯 陽崇波 ]