化工原理教學(xué)中突出工程參數(shù)的辯證分析

倪獻智，牟宗剛，耿 兵，李春生

(濟南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 濟南 250022)

隨著我國國民經(jīng)濟進入社會主義現(xiàn)代化建設(shè)新階段的到來，高等教育面臨著光榮而艱巨的人才培養(yǎng)任務(wù)。實體經(jīng)濟的發(fā)展壯大是國民經(jīng)濟基礎(chǔ)，需要大批真正掌握工程科技理論知識和新技術(shù)開發(fā)技能的卓越人才，投身于實際工程領(lǐng)域中承擔(dān)起高水平的工藝技術(shù)流程和設(shè)備創(chuàng)新性設(shè)計，以及設(shè)備高效運行的有效技術(shù)控制的艱巨任務(wù)。人才培養(yǎng)目標(biāo)的達成需要落實在各相關(guān)的課程教學(xué)過程之中。教師在進行課程設(shè)計和課程教學(xué)過程中，面臨著拓寬視野、提升境界、合理深化理論基礎(chǔ)、以工程應(yīng)用為目的的能力與素質(zhì)培養(yǎng)、真正提高教育教學(xué)質(zhì)量的必然需要。

1 化工原理課程知識內(nèi)容的性質(zhì)

化學(xué)工程學(xué)科的知識體系不斷地得以充實，但是以動量傳遞理論、熱量傳遞理論、質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ)的化工單元操作的原理和規(guī)律，始終是建構(gòu)化學(xué)工程知識體系的主體框架。化工原理課程所研究的對象是實際化工過程中的各種單元操作，是利用數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)等自然科學(xué)的理論，分析各種化工操作的原理和規(guī)律，得到工程理論，并利用這些工程理論進行化工過程設(shè)計、工藝計算、設(shè)備構(gòu)造設(shè)計等。在當(dāng)今著力培養(yǎng)化學(xué)工程卓越科技人才的教育過程中，高度重視化工原理課程知識的性質(zhì)特征和課程知識功能特征，深入剖析該課程知識中所蘊涵的工程科技理論原理的嚴(yán)密性和確定重要工程參數(shù)時的辯證思維特性，培養(yǎng)學(xué)生既能夠在理論上深刻理解技術(shù)原理，又能夠在技術(shù)的經(jīng)濟合理性上掌握化工設(shè)計中的關(guān)鍵性參數(shù)確定時的辯證分析與決定能力，使得該課程教學(xué)真正起到增長知識培育智慧的功能。

2 化工原理課程知識中確定工程參數(shù)時的典型分析

化工原理在對于各個單元操作的原理進行理論剖析過程中，遇到多種工程參數(shù)的確定問題。當(dāng)明確了基本理論原理之后，對于其中的某些關(guān)鍵性參數(shù)數(shù)值的確定，必須從工程技術(shù)理論原理上給予多方面綜合性的剖析，使得學(xué)生從技術(shù)理論原理和技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)化的高度，獲得認(rèn)知。現(xiàn)列舉工程上最常見而重要的關(guān)鍵性參數(shù)，闡釋在教學(xué)過程中突出分析的重要性所在。

2.1 流體輸送管道設(shè)計時流速的分析及確定

為了完成指定流體輸送的需要進行管道直徑的設(shè)計是工程中最常見的事，工程上希望所設(shè)計出的管道，設(shè)備費和運行費之和最低。管道直徑尺寸值影響著設(shè)備費，輸送過程中的機械能損失值決定著運行費，而影響著這兩種費用數(shù)值大小的最核心因素就是管道內(nèi)流體流速值的大小[1]。在需輸送流體流量一定的情況下，如果流速的取值大，則所需要的管道直徑值小，設(shè)備費用值小。但是，管內(nèi)流體流動過程中的機械能損失值與流速值有著直接的關(guān)系。當(dāng)流體為層流流動型態(tài)時，機械能損失值與流速值成正比關(guān)系，若是提高流速流動型態(tài)變化為高度湍流，則機械能損失值與流速值的2次方成正比關(guān)系，即流速值越大，對于流動過程中所造成的機械能損失值的影響越大。在實際工程設(shè)計中，生產(chǎn)安全的前提下，技術(shù)的經(jīng)濟性是根本，故應(yīng)通過取不同流速值具體的設(shè)計方案比較，確定出最經(jīng)濟合理的流速值或某一變化范圍。

2.2 換熱器設(shè)計時載熱體出口溫度的分析及確定

在工程上，利用換熱設(shè)備進行工藝流體溫度的調(diào)整是常見的操作。以某種高溫流體被冷卻降溫為例，根據(jù)生產(chǎn)條件選取了某種載熱體，即某種冷流體(冷卻劑)，在冷流體流出換熱器溫度的取值上，就要給予全面分析[1]。根據(jù)換熱任務(wù)可知熱負(fù)荷值，即生產(chǎn)要求達到的傳熱速率值已定，所選取的冷流體初始溫度已定，在考慮了換熱過程中熱流體與冷流體溫度差的基礎(chǔ)上，如果冷流體流出換熱器溫度的數(shù)值取得大，則所需冷流體的流量小，運行費小。但是，因為冷流體的流量小，在換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，就應(yīng)考慮如何提升該流體側(cè)的實際流速，如多管程或多殼程，增加該流體側(cè)的對流傳熱系數(shù)，從而達到較大的總傳熱系數(shù)值。此時，因為冷流體流出換熱器溫度的數(shù)值大，無論安排逆流換熱還是并流換熱，傳熱的平均溫度差值均較小，設(shè)計計算后所需要的傳熱面積值則大，即設(shè)備費大。因此結(jié)論是：對于高溫流體被冷卻降溫，如果冷流體流出換熱器溫度的數(shù)值取得大，運行費小，設(shè)備費大。顯然，如果冷流體流出換熱器溫度的數(shù)值取得小，運行費大，設(shè)備費小。設(shè)計目標(biāo)是追求總費用最低，因此冷流體的出口溫度存在著一個最合理取值而對應(yīng)于總費用最低的工程問題。另外，為了使得所設(shè)計出來的換熱器，在一定范圍內(nèi)能夠適應(yīng)實際生產(chǎn)中換熱負(fù)荷增加之后的操作彈性，在進行換熱器設(shè)計時，將冷流體的出口溫度取值適當(dāng)偏大些，一旦生產(chǎn)上換熱負(fù)荷稍有增加，可以通過適當(dāng)增加冷流體流量的措施，使得該流體側(cè)對流傳熱系數(shù)增加，同時冷流體流量增加使得其出口溫度降低，傳熱的平均溫度差值增加，從而傳熱速率增加。

2.3 間歇恒壓過濾操作過程中各時間段分配比的分析及確定

過濾是分離懸浮液的常用操作，以間歇式操作的板框式壓濾機為例分析恒壓過濾的原理最為清晰。間歇式生產(chǎn)按周期進行，一個生產(chǎn)周期中包括過濾時間、洗滌時間和輔助時間。設(shè)備的生產(chǎn)能力通常以單位時間過濾得到的濾液體積量來表達。在洗滌操作條件與過濾操作條件相同,和洗滌方式洗滌水用量已定時，在過濾介質(zhì)阻力很小可以忽略的條件下，理論上可以分析得到周期內(nèi)的洗滌時間與過濾時間之間存在著確定的關(guān)系。輔助時間依據(jù)生產(chǎn)的實際條件是客觀確定的。在周期中的過濾時間段內(nèi)進行著恒壓過濾，即所獲得的濾液體積量與過濾時間符合操作條件之下的恒壓過濾方程的關(guān)系。用一個生產(chǎn)周期來表達生產(chǎn)能力，顯然就是被除數(shù)是過濾時間內(nèi)所獲得的濾液體積量，除數(shù)就是一個生產(chǎn)周期的總時間。這樣的生產(chǎn)能力表達式，從數(shù)學(xué)函數(shù)來分析，自變量就僅一個過濾時間，并且其對于因變量生產(chǎn)能力的影響是可以出現(xiàn)極大值。利用數(shù)學(xué)上極值理論方法，得出當(dāng)在一個生產(chǎn)周期中，規(guī)劃過濾時間與洗滌時間之和等于輔助時間這樣的時間最佳分配比，能夠獲得生產(chǎn)能力的最大值。間歇過濾中時間最佳分配比的工程理論，可以分別用于解決設(shè)計型問題和操作型問題。如果生產(chǎn)能力已作了規(guī)定，能夠計算出周期內(nèi)的最合理過濾時間以及最合理的濾框厚度；如果在給定的設(shè)備中進行操作，則合理地規(guī)劃了周期內(nèi)的時間最佳分配比，能夠獲得最大的生產(chǎn)能力。

2.4 氣體吸收設(shè)計中吸收劑用量的分析及確定

氣體吸收通常多選用填料塔設(shè)備[2]。工程中給定了需要分離的氣體混合物，并且提出了分離要求，設(shè)計者根據(jù)傳質(zhì)過程氣液相平衡理論，選定了吸收劑和合適的吸收溫度壓強操作條件之后，逐步展開各項內(nèi)容的定量設(shè)計計算。吸收劑用量是工程中最為敏感而重要的參數(shù)，確定吸收劑用量的方法并不復(fù)雜，借助吸收操作線方程和操作線y-x坐標(biāo)圖(圖上同時有溶質(zhì)的氣液相平衡關(guān)系線)，分析該參數(shù)所涉及到的諸多方面，培養(yǎng)學(xué)生辯證綜合的思維能力極為有益。對于設(shè)計型問題，給定的氣體混合物分離任務(wù)，吸收劑用量取值大，吸收生產(chǎn)運行費大，這也同時影響著解吸操作負(fù)荷量大生產(chǎn)運行費大。但是，吸收劑用量取值大時，吸收塔內(nèi)的傳質(zhì)推動力大，完成預(yù)定分離任務(wù)所需要的預(yù)定填料的高度值小，從塔高這個主要尺寸來說，塔設(shè)備費小。應(yīng)同時注意，盡管塔直徑主要取決于氣體的流量，但吸收劑量大的情況，或許涉及到設(shè)計計算出的塔直徑尺寸變大的可能。因此，工程設(shè)計中存在著一個最優(yōu)化的吸收劑用量取值問題。對于操作型問題，塔設(shè)備尺寸已定，對于給定的氣體混合物來說，如果在一定范圍內(nèi)增加吸收劑的用量，為生產(chǎn)帶來的意義是能夠減小氣體出塔時的溶質(zhì)含量，增加溶質(zhì)吸收率。但是，若是吸收劑流量值已經(jīng)很大而再增加其值，這對于減小氣體出塔時的溶質(zhì)含量幾乎不再有作用，此時，應(yīng)防止塔內(nèi)發(fā)生“液泛”的不正常現(xiàn)象了。

2.5 液體精餾設(shè)計中塔頂液體回流比的分析及確定

液體精餾是進行液體混合物分離常用操作。根據(jù)精餾理論原理[2]，塔頂液體回流比的取值十分重要。在進行每個具體項目的設(shè)計時，因為在餾出液組成要求值、相平衡關(guān)系以及進料組成和熱狀態(tài)等多方面都具有其特殊性，故不存在統(tǒng)一的回流比值。都是根據(jù)具體的設(shè)計條件首先確定出最小回流比，再擴大合適的倍數(shù)，得到操作回流比。確定回流比值的計算模式看似并不復(fù)雜，但是回流比這是一核心性工程參數(shù)，圍繞其影響著的方方面面進行全面剖析，借助精餾操作線方程和操作線y-x坐標(biāo)圖(圖上同時有汽液相平衡關(guān)系線)，引導(dǎo)學(xué)生展開辯證思維的過程，建立設(shè)計知識體系的靈魂與脈絡(luò)，有著重要意義。對于設(shè)計型問題，回流比取值大，塔內(nèi)精餾段與提餾段的傳質(zhì)推動力都大，故達到預(yù)定分離要求所需要的理論塔板數(shù)小，從塔高尺寸來說，塔設(shè)備費小。但是，隨著回流比取值增加，塔的精餾段與提餾段的汽相流量和液相流量都增加，塔頂冷凝器負(fù)荷量和塔釜加熱負(fù)荷量都增加，操作運行費增加，并且當(dāng)增加回流比達到一定數(shù)值后對于增加塔內(nèi)傳質(zhì)推動力的作用已很微弱，故設(shè)計所需要的理論塔板數(shù)幾乎不再減小了。同時，因塔內(nèi)物料流量的增加，塔直徑尺寸增加，這個因素引起塔設(shè)備費增加。分析結(jié)論是：隨著回流比值的增加，操作運行費增加，塔設(shè)備費先減小(塔板數(shù)因素)而后再增加(塔直徑因素)。因此，在工程設(shè)計中，在總費用最低時所對應(yīng)的回流比值應(yīng)為最優(yōu)化的值。具體設(shè)計計算時，將最小回流比乘以合適的倍數(shù)得到操作回流比的值，就是希望得到總費用最低時所對應(yīng)的最優(yōu)化值，故這個合適的倍數(shù)值包含著技術(shù)經(jīng)濟合理性，根據(jù)具體條件下的設(shè)計項目，倍數(shù)取值最后還是依工程的總費用最低為判據(jù)。

3 通過化工原理課程理論教學(xué)培育工程思維素養(yǎng)

在化工原理課程教學(xué)過程之中，有目的性地突出重要工程參數(shù)確定時的綜合性優(yōu)化分析，既及時地引領(lǐng)學(xué)生鞏固與深化了對理論知識原理的理解，又培養(yǎng)了學(xué)生善于進行技術(shù)經(jīng)濟性辯證思維綜合分析的能力。為了達到卓越工程技術(shù)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，教師教學(xué)過程中，在講透知識理論原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)予以充分彰顯課程理論知識的工程思維特性，突出分析知識體系的核心與關(guān)鍵，突出綜合性辯證分析重要工程參數(shù)最優(yōu)化問題。重要工程參數(shù)是工程技術(shù)生命力的靈魂，重要工程參數(shù)最優(yōu)化分析是教師授課時的精髓所在。