化工原理教學(xué)中突出工程參數(shù)的辯證分析

倪獻(xiàn)智，牟宗剛，耿 兵，李春生

(濟(jì)南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)新階段的到來(lái)，高等教育面臨著光榮而艱巨的人才培養(yǎng)任務(wù)。實(shí)體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展壯大是國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，需要大批真正掌握工程科技理論知識(shí)和新技術(shù)開(kāi)發(fā)技能的卓越人才，投身于實(shí)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(jì)，以及設(shè)備高效運(yùn)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(dá)成需要落實(shí)在各相關(guān)的課程教學(xué)過(guò)程之中。教師在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和課程教學(xué)過(guò)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(shí)內(nèi)容的性質(zhì)

化學(xué)工程學(xué)科的知識(shí)體系不斷地得以充實(shí)，但是以動(dòng)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(shí)體系的主體框架?；ぴ碚n程所研究的對(duì)象是實(shí)際化工過(guò)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(jìn)行化工過(guò)程設(shè)計(jì)、工藝計(jì)算、設(shè)備構(gòu)造設(shè)計(jì)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(guò)程中，高度重視化工原理課程知識(shí)的性質(zhì)特征和課程知識(shí)功能特征，深入剖析該課程知識(shí)中所蘊(yùn)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(shí)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(jì)合理性上掌握化工設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性參數(shù)確定時(shí)的辯證分析與決定能力，使得該課程教學(xué)真正起到增長(zhǎng)知識(shí)培育智慧的功能。

2 化工原理課程知識(shí)中確定工程參數(shù)時(shí)的典型分析

化工原理在對(duì)于各個(gè)單元操作的原理進(jìn)行理論剖析過(guò)程中，遇到多種工程參數(shù)的確定問(wèn)題。當(dāng)明確了基本理論原理之后，對(duì)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(jì)最優(yōu)化的高度，獲得認(rèn)知?，F(xiàn)列舉工程上最常見(jiàn)而重要的關(guān)鍵性參數(shù)，闡釋在教學(xué)過(guò)程中突出分析的重要性所在。

2.1 流體輸送管道設(shè)計(jì)時(shí)流速的分析及確定

為了完成指定流體輸送的需要進(jìn)行管道直徑的設(shè)計(jì)是工程中最常見(jiàn)的事，工程上希望所設(shè)計(jì)出的管道，設(shè)備費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)之和最低。管道直徑尺寸值影響著設(shè)備費(fèi)，輸送過(guò)程中的機(jī)械能損失值決定著運(yùn)行費(fèi)，而影響著這兩種費(fèi)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(fèi)用值小。但是，管內(nèi)流體流動(dòng)過(guò)程中的機(jī)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(dòng)型態(tài)時(shí)，機(jī)械能損失值與流速值成正比關(guān)系，若是提高流速流動(dòng)型態(tài)變化為高度湍流，則機(jī)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(duì)于流動(dòng)過(guò)程中所造成的機(jī)械能損失值的影響越大。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，生產(chǎn)安全的前提下，技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性是根本，故應(yīng)通過(guò)取不同流速值具體的設(shè)計(jì)方案比較，確定出最經(jīng)濟(jì)合理的流速值或某一變化范圍。

2.2 換熱器設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)行工藝流體溫度的調(diào)整是常見(jiàn)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(dá)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(guò)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(yùn)行費(fèi)小。但是，因?yàn)槔淞黧w的流量小，在換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，就應(yīng)考慮如何提升該流體側(cè)的實(shí)際流速，如多管程或多殼程，增加該流體側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)，從而達(dá)到較大的總傳熱系數(shù)值。此時(shí)，因?yàn)槔淞黧w流出換熱器溫度的數(shù)值大，無(wú)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(jì)計(jì)算后所需要的傳熱面積值則大，即設(shè)備費(fèi)大。因此結(jié)論是：對(duì)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(yùn)行費(fèi)小，設(shè)備費(fèi)大。顯然，如果冷流體流出換熱器溫度的數(shù)值取得小，運(yùn)行費(fèi)大，設(shè)備費(fèi)小。設(shè)計(jì)目標(biāo)是追求總費(fèi)用最低，因此冷流體的出口溫度存在著一個(gè)最合理取值而對(duì)應(yīng)于總費(fèi)用最低的工程問(wèn)題。另外，為了使得所設(shè)計(jì)出來(lái)的換熱器，在一定范圍內(nèi)能夠適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)中換熱負(fù)荷增加之后的操作彈性，在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，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(guò)適當(dāng)增加冷流體流量的措施，使得該流體側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)增加，同時(shí)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(guò)濾操作過(guò)程中各時(shí)間段分配比的分析及確定

過(guò)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(jī)為例分析恒壓過(guò)濾的原理最為清晰。間歇式生產(chǎn)按周期進(jìn)行，一個(gè)生產(chǎn)周期中包括過(guò)濾時(shí)間、洗滌時(shí)間和輔助時(shí)間。設(shè)備的生產(chǎn)能力通常以單位時(shí)間過(guò)濾得到的濾液體積量來(lái)表達(dá)。在洗滌操作條件與過(guò)濾操作條件相同,和洗滌方式洗滌水用量已定時(shí)，在過(guò)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(shí)間與過(guò)濾時(shí)間之間存在著確定的關(guān)系。輔助時(shí)間依據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際條件是客觀確定的。在周期中的過(guò)濾時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行著恒壓過(guò)濾，即所獲得的濾液體積量與過(guò)濾時(shí)間符合操作條件之下的恒壓過(guò)濾方程的關(guān)系。用一個(gè)生產(chǎn)周期來(lái)表達(dá)生產(chǎn)能力，顯然就是被除數(shù)是過(guò)濾時(shí)間內(nèi)所獲得的濾液體積量，除數(shù)就是一個(gè)生產(chǎn)周期的總時(shí)間。這樣的生產(chǎn)能力表達(dá)式，從數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)分析，自變量就僅一個(gè)過(guò)濾時(shí)間，并且其對(duì)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(gè)生產(chǎn)周期中，規(guī)劃過(guò)濾時(shí)間與洗滌時(shí)間之和等于輔助時(shí)間這樣的時(shí)間最佳分配比，能夠獲得生產(chǎn)能力的最大值。間歇過(guò)濾中時(shí)間最佳分配比的工程理論，可以分別用于解決設(shè)計(jì)型問(wèn)題和操作型問(wèn)題。如果生產(chǎn)能力已作了規(guī)定，能夠計(jì)算出周期內(nèi)的最合理過(guò)濾時(shí)間以及最合理的濾框厚度；如果在給定的設(shè)備中進(jìn)行操作，則合理地規(guī)劃了周期內(nèi)的時(shí)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(jì)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(jì)者根據(jù)傳質(zhì)過(guò)程氣液相平衡理論，選定了吸收劑和合適的吸收溫度壓強(qiáng)操作條件之后，逐步展開(kāi)各項(xiàng)內(nèi)容的定量設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)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(duì)于設(shè)計(jì)型問(wèn)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(yùn)行費(fèi)大，這也同時(shí)影響著解吸操作負(fù)荷量大生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)大。但是，吸收劑用量取值大時(shí)，吸收塔內(nèi)的傳質(zhì)推動(dòng)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(gè)主要尺寸來(lái)說(shuō)，塔設(shè)備費(fèi)小。應(yīng)同時(shí)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(jì)計(jì)算出的塔直徑尺寸變大的可能。因此，工程設(shè)計(jì)中存在著一個(gè)最優(yōu)化的吸收劑用量取值問(wèn)題。對(duì)于操作型問(wèn)題，塔設(shè)備尺寸已定，對(duì)于給定的氣體混合物來(lái)說(shuō)，如果在一定范圍內(nèi)增加吸收劑的用量，為生產(chǎn)帶來(lái)的意義是能夠減小氣體出塔時(shí)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(duì)于減小氣體出塔時(shí)的溶質(zhì)含量幾乎不再有作用，此時(shí)，應(yīng)防止塔內(nèi)發(fā)生“液泛”的不正?，F(xiàn)象了。

2.5 液體精餾設(shè)計(jì)中塔頂液體回流比的分析及確定

液體精餾是進(jìn)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(jìn)行每個(gè)具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)樵陴s出液組成要求值、相平衡關(guān)系以及進(jìn)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(jì)條件首先確定出最小回流比，再擴(kuò)大合適的倍數(shù)，得到操作回流比。確定回流比值的計(jì)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(jìn)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(shí)有汽液相平衡關(guān)系線)，引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)辯證思維的過(guò)程，建立設(shè)計(jì)知識(shí)體系的靈魂與脈絡(luò)，有著重要意義。對(duì)于設(shè)計(jì)型問(wèn)題，回流比取值大，塔內(nèi)精餾段與提餾段的傳質(zhì)推動(dòng)力都大，故達(dá)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(lái)說(shuō)，塔設(shè)備費(fèi)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(yùn)行費(fèi)增加，并且當(dāng)增加回流比達(dá)到一定數(shù)值后對(duì)于增加塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力的作用已很微弱，故設(shè)計(jì)所需要的理論塔板數(shù)幾乎不再減小了。同時(shí)，因塔內(nèi)物料流量的增加，塔直徑尺寸增加，這個(gè)因素引起塔設(shè)備費(fèi)增加。分析結(jié)論是：隨著回流比值的增加，操作運(yùn)行費(fèi)增加，塔設(shè)備費(fèi)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(jì)中，在總費(fèi)用最低時(shí)所對(duì)應(yīng)的回流比值應(yīng)為最優(yōu)化的值。具體設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，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(fèi)用最低時(shí)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)化值，故這個(gè)合適的倍數(shù)值包含著技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性，根據(jù)具體條件下的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，倍數(shù)取值最后還是依工程的總費(fèi)用最低為判據(jù)。

3 通過(guò)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(guò)程之中，有目的性地突出重要工程參數(shù)確定時(shí)的綜合性優(yōu)化分析，既及時(shí)地引領(lǐng)學(xué)生鞏固與深化了對(duì)理論知識(shí)原理的理解，又培養(yǎng)了學(xué)生善于進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性辯證思維綜合分析的能力。為了達(dá)到卓越工程技術(shù)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，教師教學(xué)過(guò)程中，在講透知識(shí)理論原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)予以充分彰顯課程理論知識(shí)的工程思維特性，突出分析知識(shí)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(wèn)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(shí)的精髓所在。