化工原理教學(xué)中設(shè)計型問題的求解共性分析

秦正龍 劉 颯

（江蘇師范大學(xué)，徐州221116）

化工原理教學(xué)中設(shè)計型問題的求解共性分析

秦正龍 劉 颯

（江蘇師范大學(xué)，徐州221116）

有關(guān)化工原理的計算通常包括設(shè)計型計算和操作型計算兩大類型，其中，設(shè)計型計算是化工原理教學(xué)的重點。本文以簡單管路、換熱器、吸收塔和精餾塔的設(shè)計型計算為例，總結(jié)了各種不同設(shè)備設(shè)計型計算的一般步驟，加深了學(xué)生對設(shè)計型計算過程的理解，有利于學(xué)生對化工原理設(shè)計型計算的掌握。

化工原理；設(shè)計型計算；教學(xué)方法

一、引言

化工原理是化工及其相關(guān)專業(yè)極為重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)課程，是綜合數(shù)學(xué)、物理學(xué)、物理化學(xué)、計算機(jī)技術(shù)等基礎(chǔ)知識來分析和解決化工過程中單元操作的工程學(xué)科［1-2］，是銜接理論基礎(chǔ)課和專業(yè)技術(shù)課的重要橋梁［3］?；ぴ碇饕v述化工生產(chǎn)過程中單元操作的基本原理、特點和典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作性能及設(shè)計計算［4-6］，具有概念多、公式多、習(xí)題多、圖表多、內(nèi)容抽象、計算復(fù)雜、工程觀念強(qiáng)等特點［7-8］。表面上看化工原理前后各章的內(nèi)容是獨(dú)立的，似乎沒有多少聯(lián)系，但實際上都是“動量傳遞”“熱量傳遞”和“質(zhì)量傳遞”?；ぴ淼挠嬎阋话惴譃閮深悾活愂窃O(shè)計型計算，即根據(jù)要求的生產(chǎn)任務(wù)計算合適的過程及設(shè)備；另一類是操作型計算，即對某個過程或已有設(shè)備在一定條件下完成的任務(wù)進(jìn)行計算或者核定某些操作參數(shù)［9］。其中，設(shè)計型計算是化工原理教學(xué)的重點。本文對化工原理教學(xué)中簡單管路、換熱器、吸收塔和精餾塔的設(shè)計型計算進(jìn)行了分析總結(jié)。

二、簡單管路的設(shè)計型計算

化工管路主要分簡單管路和復(fù)雜管路兩種，以簡單管路為例說明管路設(shè)計型計算的一般方法。典型的管路設(shè)計型計算的給定條件是：輸送量qv、管路的長度l、管道材料及管件配置∑ζ和ε、用戶對壓強(qiáng)的要求p2。設(shè)計要求：確定最經(jīng)濟(jì)的管徑d和供料點的壓強(qiáng)p1。計算時用到的方程有三個：

物料衡算式

能量衡算之機(jī)械能衡算式

摩擦系數(shù)計算式

根據(jù)以上三式，如果指定一個流速u，便可得到一組管徑d和供料點的壓強(qiáng)p1。顯然，流速u選擇越小，則管徑d越大，阻力越小，操作費(fèi)用越低，而設(shè)備的投資費(fèi)用越高；相反，流速u選擇越大，則管徑d越小，阻力越大，操作費(fèi)用越高，而設(shè)備的投資費(fèi)用越低。因此，最經(jīng)濟(jì)合理的流速和管徑應(yīng)使年操作費(fèi)用及年折舊費(fèi)用之和為最小。

三、換熱器的設(shè)計型計算

傳熱是重要的化工單元操作，在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用十分普遍。以熱流體冷卻為例，換熱器設(shè)計型計算的給定條件是：熱流體的進(jìn)、出口溫度T1、T2、質(zhì)量流量qm1、定壓比熱Cp1。設(shè)計要求：計算換熱器的面積A。解決該類問題，必須應(yīng)用能量衡算之熱量衡算式和傳熱特征方程之傳熱速率方程，即：

能量衡算之熱量衡算式

傳熱特征方程之傳熱速率方程

在設(shè)計計算過程中，兩種流體的流向、冷流體的質(zhì)量流量qm2和出口溫度t2、進(jìn)口溫度t1等參數(shù)是可以選擇的。為了提高傳熱的推動力，一般采用逆流，特殊情況下也可采用并流。在T1、T2、t1一定時，如果qm2增大，則操作線的斜率也增大，t2下降；如果qm2減小，則操作線的斜率也減小，t2升高；當(dāng)（qm2Cp2/qm1Cp1）最小時，冷流體出口溫度最大，但所需傳熱面積A無窮大，故應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膓m2。冷流體進(jìn)口溫度t1怎么選擇呢？假設(shè)冷流體是水，冬天水溫取10℃，夏天水溫取25℃，顯然Δtm冬＞Δtm夏，則A冬＜A夏。為了使設(shè)計的換熱器夏天也能使用，應(yīng)以夏天水溫25℃來設(shè)計。

換熱器設(shè)計型計算的一般步驟是：①選擇流向；②由Q=qm1Cp1（T1-T2）算出Q；③由熱量衡算方程求出t2；④計算Δtm；⑤由傳熱特征方程Q=KAΔtm求出A。

四、吸收塔的設(shè)計型計算

吸收是分離氣體混合物最常用的手段，是化工原理教學(xué)的重點。吸收的本質(zhì)過程是傳質(zhì)，傳質(zhì)的快慢直接影響到吸收操作的效果。假設(shè)是低濃度氣體吸收，氣液相平衡關(guān)系符合亨利定律，即是通過原點的一條直線。吸收塔設(shè)計型計算的給定條件是：氣體的處理量G、氣體入、出塔濃度y1、y2、相平衡常數(shù)m、氣相總體積吸收系數(shù)Kya。設(shè)計要求：確定吸收塔填料層的高度。在設(shè)計計算時需要三個方程：

物料衡算方程

吸收特征方程之填料層高度計算式

相平衡方程

在設(shè)計時，氣液兩相的流向、吸收劑的入塔濃度x2、吸收劑的用量L、溶劑的再循環(huán)等操作條件是可以改變的。為了提高傳質(zhì)的推動力，一般采用逆流。如果氣體是極易溶解的，那就無所謂并流與逆流，即并流與逆流的傳質(zhì)推動力是相等的。其它條件不變時，吸收劑的入塔濃度x2越小，則吸收推動力越大，但吸收劑的出塔濃度x1越小，解吸費(fèi)用越大。反之，x2增大，則x1也增大，x2大到一定程度就不能吸收了，即塔頂處于平衡狀態(tài)，故0≤x2≤y2/m=x2e。吸收劑用量L越大，則x1越小，推動力大，塔高降低，基建費(fèi)用減小，操作費(fèi)用增大；反之，L越小，操作線斜率越小，操作線越靠近平衡線，當(dāng)與平衡線相交時，（L/G）最小。如果采用吸收劑再循環(huán)，則入塔濃度由x2增大到x2’，吸收劑用量由L增大L’，在回收率不變的條件下，吸收的推動力下降，對吸收不利。但如使循環(huán)液冷卻，則m變小，平衡線下移，推動力還是增大的［10］。

吸收塔設(shè)計型計算的具體步驟是：①選擇流向和吸收劑入塔濃度x2；②計算（L/G）min、（L/G）；③由物料衡算方程求出x1；④計算Δym、NOG、HOG；⑤由特征方程Z=HOGNOG求出Z。

五、精餾塔的設(shè)計型計算

精餾是分離液體混合物最常用的化工單元操作，是化工原理教學(xué)的又一個重點。以雙組份理想溶液為例，由于精餾塔內(nèi)傳質(zhì)和傳熱過程十分復(fù)雜，其結(jié)果不僅與操作條件、物料的理化性質(zhì)有關(guān)，而且還與塔板的結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，提出了理論板假定和恒摩爾流假定。所謂理論板，就是不論進(jìn)入塔板的汽液兩相組成如何，在塔板上充分混合接觸，離開塔板時汽液兩相在傳熱、傳質(zhì)兩方面都達(dá)到平衡狀態(tài)，兩相的溫度相等，組成互成平衡。所謂恒摩爾流假定就是假設(shè)各組分的摩爾汽化熱相等，那么，精餾段每塊板上升的氣體的摩爾流量V是相等的、每塊板下降的液體的摩爾流量L是相等的；提餾段每塊板上升的氣體的摩爾流量V’是相等的、每塊板下降的液體的摩爾流量L’是相等的。這樣，精餾過程的設(shè)計計算就大為簡化。在生產(chǎn)任務(wù)確定后，精餾塔設(shè)計型計算的條件是：指定塔頂產(chǎn)品組成xD、塔頂產(chǎn)品流量D、塔底產(chǎn)品組成xW、塔底產(chǎn)品流量W 4個參數(shù)中的任意2個。設(shè)計要求：確定精餾塔的理論板數(shù)。精餾塔的設(shè)計計算要用到四個方程：

氣液相平衡方程

物料衡算之精餾段操作線方程

物料衡算之提餾段操作線方程

在設(shè)計計算時，有待選擇的精餾條件除了操作壓強(qiáng)p外，還有回流比R和進(jìn)料的熱狀態(tài)q。壓強(qiáng)p一般由工藝條件決定，為了降低精餾溫度、提高精餾分離質(zhì)量，可采用減壓?；亓鞅萊是精餾最重要的操作參數(shù)，回流比R增大，精餾段操作線、提餾段操作線均向?qū)蔷€靠近，達(dá)到指定的分離任務(wù)xD、xw所需要的理論板數(shù)減少；回流比R減小，精餾段操作線、提餾段操作線均向平衡線靠近，達(dá)到指定的分離任務(wù)xD、xw所需的理論板數(shù)增多。當(dāng)R小到精餾段操作線與q線的交點正好落在平衡曲線上時，則無論畫多少階梯也不能跨過該點，這意味著需要無窮多的理論板，此時的回流比即為最小回流比。進(jìn)料熱狀態(tài)可用q來表示：

精餾之個性方程q線方程

其中，iF為進(jìn)料的摩爾熱焓，I、i分別是飽和蒸汽、飽和液體的摩爾熱焓。根據(jù)（13）式，進(jìn)料熱狀態(tài)有五種：①冷液體進(jìn)料（q＞1）；②泡點進(jìn)料（q=1）；③氣液混合物進(jìn)料（0＜q＜1）；④露點進(jìn)料（q=0）；⑤過熱蒸汽進(jìn)料（q＜0）。

精餾塔理論板數(shù)的計算方法有逐板計算法、圖解法和捷算法等。以逐板計算法為例，精餾塔設(shè)計型計算的一般步驟是：①設(shè)塔頂為全凝器，泡點回流，則y1=xD；②由氣液平衡方程以y1計算x1，用精餾段操作線方程以x1計算y2；③重復(fù)②，直至xi≤xq時，用提餾段操作線方程計算yi+1；④由氣液平衡方程以yi+1計算x1+1，用提餾段操作線方程以x1+1計算yi+2；⑤重復(fù)④，直至xn≤xw，n-1即為理論板數(shù)。

六、結(jié)束語

通過上面的分析總結(jié)不難發(fā)現(xiàn)，在簡單管路、換熱器、吸收塔、精餾塔等設(shè)備設(shè)計計算時用到的方程，其形式雖然不同，但無非是三類方程，第一類是衡算方程，包括質(zhì)量衡算和能量衡算方程；第二類是過程特征方程；第三類是相平衡方程。具體地說，對于簡單管路、換熱器的設(shè)計型計算只需前兩類方程，而對于吸收塔、精餾塔的設(shè)計型計算則需要三類方程，反映了化工原理各章內(nèi)容的特征和聯(lián)系，從而加深了學(xué)生對化工原理單元操作基本原理的理解，有利于學(xué)生對化工原理設(shè)計型計算的掌握。

［1］萬惠萍，葉淑紅，尉志蘋.食品工程專業(yè)的化工原理課程教學(xué)探討［J］.中國輕工教育，2010（5）：56-57.

［2］夏清，陳長貴.化工原理（修訂版）［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2010：1-8.

［3］劉則華，肖穩(wěn)發(fā)，張紅.《化工原理》教學(xué)的幾點體會［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)教育研究，2005（2）：41-43.

［4］孫喆，尹曉紅，盧世榮，等.MATLAB輔助化工原理教學(xué)的探討［J］.中國輕工教育，2011（6）：68-69.

［5］王志祥，黃德春.制藥化工原理（第三版）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014：2.

［6］馮尚華，何國芳，趙仁高，等.化工原理的案例教學(xué)［J］.化工高等教育，2010（6）：79-81.

［7］楊宗政.化工原理教學(xué)方法探討［J］.中國輕工教育，2008（4）：59-61.

［8］史德青，王萬里.淺談開放式習(xí)題在化工原理教學(xué)中的作用［J］.化工高等教育，2015（5）：92-94.

［9］高俊，賀文智.加強(qiáng)操作型計算提高綜合應(yīng)用能力［J］.化工高等教育，1997（4）：54-55.

［10］陳敏恒，叢德濨，方圖南，等.化工原理（下冊，第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2013：30.

（責(zé)任編輯：張華凡）

Generality Analysis of Design Calculation in the Teaching of Chemical Engineering Principles

QIN Zhenglong，LIU Sa
（Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China）

The calculation of chemical engineering principles usually includes two types：design calculation and operation calculation.The former is the focus of chemical engineering principle teaching.Taking the design calculation of simple pipeline，heat exchanger，absorption tower and distillation tower as examples，this paper summarizes the general procedures of calculation. This analysis is beneficial for students in their understanding and mastering chemical engineering design calculation.

chemical engineering principle；design calculation；teaching method

G642

秦正龍（1963—），男，教授，研究方向：物質(zhì)定量構(gòu)效關(guān)系。

江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目（PPZY2015B110）；江蘇師范大學(xué)教育教學(xué)課題資助項目（JYY201409）。