化工原理教學中換熱器與吸收塔操作型計算的類比分析

2017-04-27 12:24:17秦正龍黃芳敏龍洲洋

大學教育 2017年2期

秦正龍　黃芳敏　龍洲洋

[摘要]類比教學法在化工原理教學中的應用備受人們關注。通過對換熱器與吸收塔操作型計算的類比分析，加深學生對過程的理解，拓寬思維的空間，掌握過程的本質，化難為易、舉一反三、融會貫通，使學生在學習中易學好記，收到了事半功倍的教學效果。

[關鍵詞]化工原理；類比教學法；換熱器；吸收塔；操作型計算

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）02-0078-02

化工原理是一門重要的工程技術基礎課程，是我院應用化學、環境工程、制藥工程、材料科學等專業必修的一門主干課，主要講述化工生產過程中單元操作的基本原理、特點和典型設備的結構、操作性能及設計計算。[1][2]該課程具有公式多、概念多、計算量大、系統性差、知識面廣、內容抽象、應用性強等特點，給學生的學習帶來了很大困難。[3][4]面對這些問題，許多教師在化工原理教學過程中進行了積極的探索，取得了良好的效果。本文以換熱器與吸收塔操作型計算為例，探討類比法在化工原理教學中的應用。

一、類比教學法的含義

類比教學法是以建構主義理論為基礎，對事物之間的異同進行對照分析的一種思維過程，是把相似或相近的事物進行比較歸納，更好地認識事物之間的個性和共性的一種教學方法。該法強調在學生已有知識的基礎上探究新知識，促進對新知識的遷移、認識，建立知識之間的相互聯系，深化學生對新知識的理解、掌握。

二、換熱器與吸收塔操作型計算的類比

化工原理的計算一般分為兩類，一類是設計型計算，即根據要求的生產任務計算合適的過程及設備；另一類是操作型計算，即對某個過程或已有設備在一定條件下完成的任務進行計算或者核定某些操作參數。操作型計算變量多，變量之間的關系往往又是非線性的，知識應用靈活、計算復雜。[5]操作型計算的關鍵有三點：一是無論原工況還是新工況，物料衡算和熱量衡算總是要滿足的；二是要明確比較、計算的標準；三是計算得到的數值要與給定的條件相符合。[6]傳熱是一個重要的化工單元操作，換熱器的操作型計算是化工原理教學中的重點也是難點。在實際化工生產過程中，換熱器的操作型計算問題是經常遇到的。例如判斷一個現有換熱器對指定的生產任務是否適用；或者預測某些參數的變化對換熱器傳熱能力的影響等。根據具體條件的不同，換熱器操作型計算分為兩種（以熱流體冷卻為例）：第一種是已知qm1、Cp1、T1、流向、qm2、Cp2、t1、A，求T2、t2；第二種是已知qm1、Cp1、T1、T2、t1、Cp2、流向、A，求qm2、t2。以第一種換熱器操作型計算為例，解決問題的方法是熱量衡算方程和傳熱過程的特征方程，即：

Q=qm1Cp1（T1-T2）=qm2Cp2（t2-t1）（1）

Q=KAΔtm （2）

理論上來說，聯立求解方程組（1）、（2），便可得到T2、t2。關鍵是方程（2）為非線性方程，不能直接求解，只能用迭代法。即先假設冷流體出口溫度t2，由式（1）計算T2，再由式（2）計算A*，如果計算值A*與已知的A相符，則計算結果正確。否則，應修正設定值t2，重新計算，直到A*與已知的A相符為止。為了避免繁瑣的迭代，必須通過適當的數學變換，使方程（2）轉變為線性方程。這樣便出現了消元法和假設Δt1<2Δt2 （Δt2<2Δt1），用■ 代替Δtm的計算方法，該法最后必須要驗證Δt1<2Δt2 （Δt2<2Δt1）是否成立，如果Δt1<2Δt2（Δt2<2Δt1）不成立，則該法無效。此外還可采用傳熱單元數法，如果qm1Cp1= qm2Cp2，則操作線與對角線T=t平行，Δtm= T1-t2= T2-t1，聯立求解方程組（1）、（2），便可得到T2、t2。由于熱量傳遞相對簡單，學生也比較熟悉，對換熱器操作型計算的學習并不感到十分困難。但我們發現，學生對于吸收及有關傳質過程難以理解。因此，我們就利用傳質與傳熱的類似性，進行類比講解，溫故知新，加深學生對已學知識的理解和記憶，并使較為復雜的有關傳質過程的內容變得易于理解和掌握，收到了事半功倍的教學效果。具體做法是：首先把有關換熱器操作型計算的內容總結整理成表格的形式用PPT展示（見表1），然后把吸收塔設計型計算的條件、目的、衡算方程、特征方程、計算方法等通過板書的形式與換熱器設計型計算進行逐項比較、講解、分析、推理、概括、綜合，在兩者之間架起一座橋梁，從而啟發學生的思維，培養學生的興趣，發展學生的能力，在比較輕松的氛圍中潛移默化地實現對新知識的遷移、認識，避免繁雜而枯燥的數學推導，化難為易，使學生愉快地自主學習，掌握發現問題、處理問題、解決問題的方法，同時，通過列表比較使所學知識條理化、系統化。

表1 換熱器與吸收塔操作型計算的比較

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另外，必須強調吸收塔的操作和調節的有效性。一般吸收塔的氣體入口條件是由上一工段決定的，不能隨意改變。因此，吸收塔在操作時的調節方法只能是改變吸收劑的進塔條件，即吸收劑的流量L、溫度t、濃度x2等三大因素。增大吸收劑的用量，操作線的斜率增大，出口氣體的濃度變小；降低吸收劑溫度，氣體的溶解度增大，平衡常數減小，平衡線下移，平均推動力增加；降低吸收劑進塔濃度，液相入口推動力增加，全塔平均推動力也隨之增大。適當調節上述三個參數可以強化傳質過程，從而提高吸收效果。提高吸收劑的流量固然可以增大吸收的推動力，但應同時考慮再生設備的能力。如果吸收劑的循環量增大使解吸操作惡化，則吸收塔的液相進口含量將上升，得不償失。當然，采用增大吸收劑循環量的方法調節氣體出口含量y2是有一定限度的。如有一足夠高的吸收塔（H→∞），操作時必然在塔底或塔頂達到平衡。當（L/G）﹤m時，氣液兩相在塔底達到平衡，增大吸收劑用量可以有效地降低y2；當（L/G）﹥m時，氣液兩相在塔頂達到平衡，增大吸收劑用量不能有效地降低y2，此時只有降低吸收劑入塔濃度或入塔溫度才能使y2下降。

三、體會

（一）激發學生學習化工原理的興趣

類比教學法可以彌補“填鴨式”教學等傳統方法的不足，通過對照、推理、聯想、歸納，克服單純的記憶和僵化的死記硬背，將新舊知識有機地串聯起來，極大地激發學生的學習興趣。

（二）培養學生的創新意識

在進行類比教學過程中，學生全程參與，調動了學生的創造性思維，訓練了學生的分析歸納能力。類比教學法對于鍛煉學生的發散性思維、創新性思想和看問題的方式、方法都有很大的幫助。

（三）提高學生解決實際問題的能力

類比教學法有利于學生掌握知識點之間的內在聯系、使用條件、具體差別和使用范圍等，既提高了學生解決實際問題的能力，又進行了科學方法的示范。

四、結語

熱量傳遞和質量傳遞之間具有許多相似性，因此，在教學過程中，通過類比可將學生易混淆的知識變得明晰，難理解的知識變得易理解，難記憶的知識變得易記憶，最大限度地激發學生學習化工原理的熱情，達到素質教學、快樂教學的效果，值得大家進一步去探索研究。

[ 參考文獻 ]

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

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