獨立學院化工原理中操作型問題初探

王佳佳

摘 要：化工原理課程教學中，涉及到的問題主要包括操作型計算問題及設計型計算問題。針對獨立學院學生學習被動、理解能力較弱的特點，采用歸納、總結的方式進行教學。本文以操作型計算為例，對管路、換熱器、吸收塔以及精餾塔計算的一般方法進行匯總對比，幫助學生對化工原理中操作型問題的理解，強化學生對化工原理中操作型問題的的掌握。

關鍵詞：化工原理 操作型問題 教學

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0197-03

Abstract：Problems of principles of chemical engineering mainly include two types：design problems and operation problems. In view of the characteristics of poor learning and poor comprehension of independent college students， the methods of summarization and conclusion are used for teaching. Taking the operation calculation as example， this paper summarizes the general methods of the calculation of pipeline， heat exchanger， absorption tower and rectifying tower. These methods are helpful for students in understanding and mastering the operation problems of basic principles of chemical engineering processes.

Key Words： Principles of chemical engineering； Operation problem；Teaching

化工原理作為化學工程與工藝、制藥工程、高材及其相關專業的一門專業基礎課，對于學生從基礎理論課到專業實踐課的學習起到非常重要的銜接作用[1-3]。化工原理課程的內容一般是由許多簡單的單元操作所構成，按照操作的目的，可以將這些單元操作分為：物料的減壓、增壓及輸送；物料的加熱與冷卻；物料的分散與混合；均相混合物的分離；非均相混合物的分離等等。單元操作的內容有過程及設備，當以過程為條件，去求一個設備，即為設計型問題[4-5]；反之，則為操作型問題。針對獨立學院學生學習很被動，不喜歡學習，理解能力較差的特點[6-8]，將所學內容進行化繁為簡，歸納總結進行對比學習不失為一種較好的教學方式。下面我們就以化工原理課程中常見的對以動量傳遞為特征的管路、以熱量傳遞為特征的換熱器、以質量傳遞為特征的吸收塔與精餾塔，這四個單元操作的操作型問題[9-10]進行初步探討，歸納總結。

1 管路的操作型問題

化工生產過程中常見的管路主要有簡單管路和復雜管路，下面我們就以簡單管路為例來介紹一下操作型問題的解決方式。操作型問題即已知管路設備，在一定條件下，計算其輸送能力。常見的管路操作型計算，第一種命題為給定條件為：管內徑d、管路長度l、阻力系數∑ζ、絕對粗糙度ε、（p1+ρgz1）、（p2+ρgz2），要求計算輸送量qv；第二種命題為給定條件為：管內徑d、管路長度l、阻力系數∑ζ、絕對粗糙度ε、（p2+ρgz2）、輸送量qv，需要求（p1+ρgz1）。以第一種命題為例，求解時用到的方程如下：

計算方法為：如果屬于一般湍流，摩擦系數計算式為非線性，需要試差求解。首先設定λ值，然后依次求出u、Re、λ計，比較λ計與初值λ是不是接近，若不接近，修正λ值，重新進行計算，若接近，根據質量守恒式求出qv。如果是充分湍流，則無需試差，摩擦系數計算式為λ。如果是層流，摩擦系數計算式為。

2 換熱器的操作型問題

一般而言，在化工廠的所有設備資產中，傳熱設備所占的比重較大，有些已然臨近一半，因此傳熱過程是化工生產過程中顯得要尤為重要，而換熱器的操作是常規問題，比如說參數的變化對換熱器的傳熱能力所產生的影響。操作型計算的命題主要有兩種方式：一種是已知設備、操作條件，求操作結果，即已知傳熱系數K、傳熱面積A、熱流體進口溫度T1、冷流體進口溫度t1、熱流體質量流量qm1、冷流體質量流量qm2，求熱流體出口溫度T2及冷流體出口溫度t2；另一種是已知某一設備條件及某一規定操作條件，求另一操作結果，即已知傳熱系數K、傳熱面積A、熱流體進口溫度T1、冷流體進口溫度t1、熱流體質量流量qm1、熱流體出口溫度T2，求冷流體質量流量qm2及冷流體出口溫度t2。求解時用到的方程如下：

所以，將以上兩式進行聯立求解，一般傳熱的操作型問題均可得到解決。對于第一類命題的操作型問題，可先將傳熱基本方程式化為簡單的線性方程，再次采用消元法得出結果；對于第二類命題，需對傳熱基本方程式進行直接處理，這時就需要用到試差法進行逐步逼近。

3 吸收塔的操作型問題

吸收是將氣體混合物中的各個組分加以分離，從而達到凈化或者是回收的目的，吸收操作在化工原理各單元操作中同樣占據著比較重要的地位。假設為低含量氣體吸收，則其相平衡關系服從亨利定律，即相平衡線為一條直線，通過原點。吸收塔常見的操作型問題有兩類：第一類是給定條件吸收塔的高度H、氣體流率G、進口氣體中溶質摩爾分數y1、進口吸收溶劑中溶質的摩爾分數x2、兩相總傳質系數或、相平衡常數m、液體流率L，計算出口氣體中溶質摩爾分數y2、進口吸收溶劑中溶質的摩爾分數x1；第二類是已知吸收塔的高度H、氣體流率G、進口氣體中溶質摩爾分數y1、出口氣體中溶質摩爾分數y2、進口吸收溶劑中溶質的摩爾分數x2、兩相總傳質系數Kya或Kxa、相平衡常數m，計算液體流率L、進口吸收溶劑中溶質的摩爾分數x1。求解時用到的方程如下：endprint

一般情況下，吸收類的操作型問題皆可對以上三式進行聯立求解。第一類命題可以試差也可不試差求解，第二類命題則必須試差進行求解。針對第一類命題，第一種方法為試差法，依據是比較H的計算值與給定值，計算過程為設定y2，逐步計算、、、H計的值，此時與給定H值進行比較；第二種方法為吸收因數法，由已知H、HOG算出NOG，因y1、x2已知，可求出y2，再由全塔物料衡算式可求出x1。第三種方法為消元法，

吸收塔的操作型問題最重要的特征就是H一定，調節的目的是使得y2降低或組分的回收率提高，可以采用3種方式進行調節，最常用的方法就是增大吸收劑用量L，降低吸收劑入口溫度t或者降低吸收劑進口濃度x2，均可達到調節的目的。

4 精餾塔的操作型問題

精餾是將液體混合物加以分離，從而達到提純目標組分，或者是回收目標組分的目的，同樣即化工原理中較為重要的單元操作。由于每塊塔板上兩相傳熱和傳質速率不僅僅取決于塔板上面的操作條件，塔板自身的結構也是其影響因素，難以用較為簡單的方程表示出來，因此，為了簡便，提出了理論板和恒摩爾流假定。所謂理論板，就是離開板的兩相互成平衡且溫度相同。恒摩爾流假定即忽略溫度及組成所引起的汽化潛熱飽和液體焓的區別，這樣使得塔內無加料和出料的任意塔段中，各板下降的液體量一樣，上升的蒸汽量也均一樣。這樣，就簡化了精餾塔內的計算過程。

精餾過程的操作型命題是已知全塔總板數N與加料位置（第m塊板）、加料熱狀態q、相對揮發度α、回流比R、原料組成、塔頂餾出液的采出率D/F，需求產品組成、及逐板的組成分布。求解時用到的方程如下：

精餾的操作型計算具有以下特點：（1）變量較多，比如說進料量F、進料組成、R、q值及壓強P都可以改變，同時變量之間又是非線性的關系，這時即需要通過試差來進行計算。（2）通常進料板位置不符合所說的最優位置。操作時，當回流比R增大時，精餾段的液氣比增加，精餾段操作線斜率變大；提餾段氣液比增大，提餾段操作線斜率變小，操作穩定的時候，塔頂組成有所提高，塔底組成降低。操作時，在回流比不變的情況下，若進料組成下降，則塔頂組成與塔釜組成均下降。

5 結語

由上面的分析可知，在進行管路、換熱器、吸收塔、精餾塔的操作型計算時，均是通過守恒方程、相平衡方程及過程特征方程進行求解的，但是由于各種變量之間所發生的非線性關系，所以一般情況下，化工原理中的操作型方程都要進行試差（迭代）求解。同時，在進行單元操作的計算時，我們可以將數學與計算機結合起來，采用數學里面的算法知識，以計算機進行模擬計算，這樣就簡化了計算，學生就不會再懼怕化工原理課，不會感覺到自己在聽天書，便能很輕松的學習化工原理課程了。

參考文獻

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[10]陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理（下冊，第四版）[M].北京：高等教育出版社，2015.endprint