化工單元操作與傳遞過程的關(guān)聯(lián)性教學(xué)改革研究

石國(guó)亮，賈士芳，趙玉英，史寶萍，高曉榮，王迎春，孟 濤，梁 琪

(1.太原科技大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué) 教務(wù)處，山西 太原 030024；3.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司山西省分公司信息化部，山西 太原 030000)

化工原理課程作為化工類相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)主干必修課程，其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)質(zhì)量已被作為衡量化工相關(guān)專業(yè)類本科教育水準(zhǔn)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)或評(píng)價(jià)體系[1]。目前，化工原理課程教學(xué)內(nèi)容體系主要是以化工各單元操作為主線貫穿全課程體系，通過介紹各單元操作的基本概念、基本原理、操作過程以及與其相應(yīng)的典型單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和計(jì)算，并且運(yùn)用上述知識(shí)去對(duì)相關(guān)化工單元設(shè)備進(jìn)行研發(fā)、設(shè)計(jì)和選型，從而體現(xiàn)了該課程特有的“基礎(chǔ)性”和“工程應(yīng)用性”雙重特點(diǎn)[2]。這也正是該課程可作為《物理化學(xué)》等前修基礎(chǔ)課程和《化工分離工程》等后續(xù)專業(yè)課程的承上啟下的橋梁作用所在，更重要的是對(duì)于引導(dǎo)學(xué)生具有工程概念和工程意識(shí)發(fā)揮著重要的作用。顯然，對(duì)化工原理課程中的化工單元操作有很好的理解至關(guān)重要，化工各單元操作按照其操作特點(diǎn)分別歸屬于動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞(簡(jiǎn)稱“三傳”)，這在化工原理課程中已經(jīng)介紹，然而關(guān)于其傳遞過程以及“三傳”之間的關(guān)聯(lián)等內(nèi)容卻在化工原理課程中介紹很少[3]，使得該課程的理論性顯得較為薄弱，學(xué)生便不能從理論層面更好的去理解單元操作與“三傳”之間的關(guān)聯(lián)性。化工傳遞過程原理課程則主要介紹了“三傳”的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)與應(yīng)用以及“三傳”之間的聯(lián)系，而對(duì)單元操作的內(nèi)容則未做任何介紹。如果將兩門課程相關(guān)內(nèi)容加以有機(jī)耦合，則有望實(shí)現(xiàn)單元操作和傳遞過程即“三傳”內(nèi)容的有效對(duì)接，用傳遞過程的理論知識(shí)來指導(dǎo)單元操作的實(shí)踐過程，這將更大程度的體現(xiàn)出理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)際單元操作和傳遞過程理論的理解掌握和工程應(yīng)用。

本文正是基于實(shí)現(xiàn)單元操作和傳遞過程即“三傳”內(nèi)容的有效對(duì)接之目的，通過探討化工單元操作與化工傳遞過程之間的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而構(gòu)建化工單元操作中“三傳”機(jī)理的理論教學(xué)模式，旨在豐富和促進(jìn)化工原理課程內(nèi)容體系，加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的培養(yǎng)。

1 教學(xué)改革研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)

(1)探索研究化工單元操作中“三傳”機(jī)理的理論教學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。以“三傳機(jī)理”為切入點(diǎn)，通過將“三傳”之間的內(nèi)在聯(lián)系滲透到相應(yīng)的化工單元操作當(dāng)中，從而搭建“三傳”在單元操作中的理論教學(xué)基礎(chǔ)。

(2)探索研究如何解決“三傳”機(jī)理與單元操作的有機(jī)耦合，優(yōu)化理論教學(xué)內(nèi)容。分別從“三傳”的內(nèi)在聯(lián)系和相應(yīng)的單元操作的基本原理兩方面尋找接入點(diǎn)進(jìn)行耦合，例如將某一單元操作中所涉及的傳遞過程(可能為單一傳遞現(xiàn)象或兩種以上傳遞現(xiàn)象共存)，并以此傳遞現(xiàn)象規(guī)律為理論基礎(chǔ)對(duì)相應(yīng)的單元操作優(yōu)化理論指導(dǎo)，達(dá)到二者有機(jī)結(jié)合，優(yōu)化理論教學(xué)內(nèi)容。

(3)探索構(gòu)建化工單元操作與傳遞過程有機(jī)耦合后的新的教學(xué)模式和教學(xué)方法與手段。以某個(gè)典型或某個(gè)重要的化工單元操作作為研究對(duì)象，以其中涉及的“傳遞現(xiàn)象”作引導(dǎo)，通過提出問題、分析問題、解決問題，從而構(gòu)建單元操作原理與傳遞過程機(jī)理相耦合的新型教學(xué)模式。

本課題以構(gòu)建化工單元操作中“三傳”機(jī)理的理論教學(xué)新教學(xué)模式為研究總目標(biāo)。

2 教學(xué)改革研究方法

首先從三種傳遞過程機(jī)理入手，分析它們的理論基礎(chǔ)及其之間的內(nèi)在聯(lián)系；然后以某個(gè)或某幾個(gè)重要的化工單元操作作為工程實(shí)踐研究對(duì)象，分別闡述其涉及的基本操作原理；再通過分析二者的側(cè)重點(diǎn)，進(jìn)而找到它們的耦合之處，切實(shí)體現(xiàn)出理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要意義。同時(shí)，以“三傳”理論與實(shí)際“單元操作”的耦合點(diǎn)為指導(dǎo)，構(gòu)建“傳遞理論”在單元操作中的理論基礎(chǔ)，探討新的教學(xué)模式和教學(xué)方法。

3 教學(xué)改革實(shí)施過程

3.1 “三傳”通用表達(dá)式的推導(dǎo)[4]

3.1.1 動(dòng)量傳遞過程

其物理意義可理解為，動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)與動(dòng)量濃度梯度的乘積。

從上述方程式①的分析，可以表示出動(dòng)量傳遞過程的基本方程，即

動(dòng)量通量

= 動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)*動(dòng)量濃度梯度 ②

3.1.2 熱量傳遞過程

從上述方程式③的分析，可以表示出熱量傳遞過程的基本方程，即

熱量通量

= 熱量擴(kuò)散系數(shù)*熱量濃度梯度 ④

3.1.3 質(zhì)量傳遞過程

從上述方程式⑤的分析，可以表示出熱量傳遞過程的基本方程，即：

質(zhì)量通量

= 質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)*質(zhì)量濃度梯度 ⑥

綜合以上傳遞過程的基本方程②、④和⑥，可以得出三種傳遞過程的通用表達(dá)式：通量=-擴(kuò)散系數(shù)*濃度梯度。顯然，它們之間存在著相似的傳遞現(xiàn)象或必然的內(nèi)在聯(lián)系，這種相似性又可以歸結(jié)為統(tǒng)一的基本方程加以描述三種傳遞過程的基本理論，因此可以將其作為化工單元操作中“三傳”機(jī)理理論教學(xué)研究的理論指導(dǎo)。

3.2 化工單元操作與傳遞過程的耦合

以分離苯-甲苯混合溶液體系的連續(xù)精餾單元操作為例，其連續(xù)精餾操作原理可以描述為，從精餾塔的中部某一適合位置(塔板的組成與原料液組成接近)加入原料混合溶液，從進(jìn)料板沿塔下降至塔底的液相流經(jīng)再沸器加熱，部分液體汽化返回塔內(nèi)，以形成沿塔上升的汽相流，其余部分液體作為塔釜產(chǎn)品引出；上升的汽相流沿塔升至塔頂冷凝器部分冷凝，并使部分冷凝液回流入塔，以形成沿塔下降的液相流，其余部分冷凝液作為塔頂產(chǎn)品引出。這樣，在精餾塔內(nèi)沿塔上升的汽相流與下降的液相流就會(huì)逐級(jí)進(jìn)行多次接觸蒸餾，從而使得上升汽相流中的易揮發(fā)組分(苯)逐漸增加，下降液相流中的易揮發(fā)組分(苯)逐漸減少或難揮發(fā)組分(甲苯)逐漸增加，在塔頂即可獲得較高純度的易揮發(fā)組分(苯)產(chǎn)品，塔底獲得較高純度的難揮發(fā)組分(甲苯)產(chǎn)品[5]。

從上述精餾操作原理中，可以看出精餾的實(shí)質(zhì)是在每一層塔板上的液相流和汽相流逐級(jí)接觸，并經(jīng)多次部分汽化或多次部分液化，從而實(shí)現(xiàn)了苯-甲苯混合液的高純度分離。那么，在整個(gè)精餾分離混合溶液過程中，必然伴隨著以下傳遞過程現(xiàn)象的出現(xiàn)：(1)汽液相流在塔板之間的流動(dòng)，屬于動(dòng)量傳遞現(xiàn)象；(2)汽相流放出潛熱，使其部分冷凝，液相流獲得冷凝潛熱，使其部分汽化，屬于熱量傳遞現(xiàn)象；(3)液相流中易揮發(fā)組分苯向汽相流中轉(zhuǎn)移，汽相流中難揮發(fā)組分甲苯向液相流中轉(zhuǎn)移，屬于質(zhì)量傳遞現(xiàn)象。

圖1 “三傳”與精餾操作的關(guān)聯(lián)性示意圖

顯然，三種傳遞過程貫穿于精餾操作全過程，其中歸屬于動(dòng)量傳遞現(xiàn)象的汽液相回流是保證精餾連續(xù)操作的必要條件，歸屬于熱量傳遞和質(zhì)量傳遞現(xiàn)象的易揮發(fā)組分(苯)與難揮發(fā)組分(甲苯)在汽液相之間的相互轉(zhuǎn)移是精餾操作的必然結(jié)果。它們之間的關(guān)聯(lián)性可以用圖1加以描述。

從圖1中可以看出，由于流體之間發(fā)生的動(dòng)量傳遞現(xiàn)象，促使汽液相流體相互接觸，進(jìn)而在熱量濃度梯度的推動(dòng)力下發(fā)生著熱量的交換，同時(shí)在質(zhì)量濃度梯度的推動(dòng)力下發(fā)生著易揮發(fā)與難揮發(fā)組分的轉(zhuǎn)移，從而確保了連續(xù)精餾操作的正常運(yùn)行。顯然，“三傳”理論在精餾單元操作過程中得到了充分的實(shí)踐，而精餾過程又無處不體現(xiàn)出了“三傳”的理論基礎(chǔ)。換言之，“三傳”理論與精餾單元操作相輔相成，展現(xiàn)了很好的耦合作用效果。

4 教學(xué)改革新型教學(xué)模式的探討

以單元操作作為講述背景，以“傳遞現(xiàn)象”作引導(dǎo)，通過提出問題、分析問題、解決問題，從而構(gòu)建傳遞過程與單元操作原理相耦合的新型教學(xué)模式。下面以換熱單元操為例加以闡述。為使學(xué)生更好理解換熱單元操作，首先提出為什么冬天家庭使用暖氣片就感覺暖和的問題？我們知道換熱片內(nèi)部有熱水，換熱片內(nèi)表面緊鄰熱水，流動(dòng)的熱水依靠大量的熱水質(zhì)點(diǎn)的位移首先將熱量傳給內(nèi)表面，這樣的傳熱方式就是熱對(duì)流；然后獲得熱量的內(nèi)表面通過無規(guī)則的分子之間碰撞再將熱量傳給外表面，在這個(gè)過程中無宏觀質(zhì)點(diǎn)位移發(fā)生，這樣的傳熱方式就是熱傳導(dǎo)；周圍流動(dòng)的冷空氣也憑借其不斷的發(fā)生位移并且以對(duì)流的方式與獲得熱量的外表面接觸，從而使冷空氣升溫成為熱空氣。此外，暖氣片的高溫外表面還可能以電磁波的形式向周圍冷空氣輻射熱量?？偟媒Y(jié)果就是相當(dāng)于暖氣片內(nèi)的熱水與室內(nèi)的冷空氣進(jìn)行了換熱或熱量傳遞。顯然，通過上述問題分析，導(dǎo)入了換熱的基本概念，也理解了滿屋子暖和的感覺。

由此，我們可以學(xué)到熱量傳遞包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種基本傳熱方式以及它們各自的傳熱機(jī)理在實(shí)際換熱單元操作過程中所表現(xiàn)出的理論意義。

5 結(jié)語(yǔ)

通過分析三種傳遞過程機(jī)理，得出了三種傳遞過程相似的傳遞現(xiàn)象或必然的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律，獲得的通用表達(dá)式加以描述三種傳遞過程的基本理論，進(jìn)而形成了化工單元操作中“傳遞理論”教學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。而單元操作過程中又無處不體現(xiàn)著“三傳”的理論基礎(chǔ)，表明了“三傳”理論與實(shí)際單元操作相輔相成、相得益彰的關(guān)聯(lián)效果。因此開展傳遞過程理論與實(shí)際單元操作相耦合的新型教學(xué)模式，既可豐富化工原理課程內(nèi)容體系，還可加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的培養(yǎng)。