化工原理教學中突出工程參數的辯證分析

倪獻智，牟宗剛，耿 兵，李春生

(濟南大學 化學化工學院，山東 濟南 250022)

隨著我國國民經濟進入社會主義現代化建設新階段的到來，高等教育面臨著光榮而艱巨的人才培養任務。實體經濟的發展壯大是國民經濟基礎，需要大批真正掌握工程科技理論知識和新技術開發技能的卓越人才，投身于實際工程領域中承擔起高水平的工藝技術流程和設備創新性設計，以及設備高效運行的有效技術控制的艱巨任務。人才培養目標的達成需要落實在各相關的課程教學過程之中。教師在進行課程設計和課程教學過程中，面臨著拓寬視野、提升境界、合理深化理論基礎、以工程應用為目的的能力與素質培養、真正提高教育教學質量的必然需要。

1 化工原理課程知識內容的性質

化學工程學科的知識體系不斷地得以充實，但是以動量傳遞理論、熱量傳遞理論、質量傳遞理論為基礎的化工單元操作的原理和規律，始終是建構化學工程知識體系的主體框架。化工原理課程所研究的對象是實際化工過程中的各種單元操作，是利用數學、物理和化學等自然科學的理論，分析各種化工操作的原理和規律，得到工程理論，并利用這些工程理論進行化工過程設計、工藝計算、設備構造設計等。在當今著力培養化學工程卓越科技人才的教育過程中，高度重視化工原理課程知識的性質特征和課程知識功能特征，深入剖析該課程知識中所蘊涵的工程科技理論原理的嚴密性和確定重要工程參數時的辯證思維特性，培養學生既能夠在理論上深刻理解技術原理，又能夠在技術的經濟合理性上掌握化工設計中的關鍵性參數確定時的辯證分析與決定能力，使得該課程教學真正起到增長知識培育智慧的功能。

2 化工原理課程知識中確定工程參數時的典型分析

化工原理在對于各個單元操作的原理進行理論剖析過程中，遇到多種工程參數的確定問題。當明確了基本理論原理之后，對于其中的某些關鍵性參數數值的確定，必須從工程技術理論原理上給予多方面綜合性的剖析，使得學生從技術理論原理和技術經濟最優化的高度，獲得認知。現列舉工程上最常見而重要的關鍵性參數，闡釋在教學過程中突出分析的重要性所在。

2.1 流體輸送管道設計時流速的分析及確定

為了完成指定流體輸送的需要進行管道直徑的設計是工程中最常見的事，工程上希望所設計出的管道，設備費和運行費之和最低。管道直徑尺寸值影響著設備費，輸送過程中的機械能損失值決定著運行費，而影響著這兩種費用數值大小的最核心因素就是管道內流體流速值的大小[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，設備費用值小。但是，管內流體流動過程中的機械能損失值與流速值有著直接的關系。當流體為層流流動型態時，機械能損失值與流速值成正比關系，若是提高流速流動型態變化為高度湍流，則機械能損失值與流速值的2次方成正比關系，即流速值越大，對于流動過程中所造成的機械能損失值的影響越大。在實際工程設計中，生產安全的前提下，技術的經濟性是根本，故應通過取不同流速值具體的設計方案比較，確定出最經濟合理的流速值或某一變化范圍。

2.2 換熱器設計時載熱體出口溫度的分析及確定

在工程上，利用換熱設備進行工藝流體溫度的調整是常見的操作。以某種高溫流體被冷卻降溫為例，根據生產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]。根據換熱任務可知熱負荷值，即生產要求達到的傳熱速率值已定，所選取的冷流體初始溫度已定，在考慮了換熱過程中熱流體與冷流體溫度差的基礎上，如果冷流體流出換熱器溫度的數值取得大，則所需冷流體的流量小，運行費小。但是，因為冷流體的流量小，在換熱器的結構設計上，就應考慮如何提升該流體側的實際流速，如多管程或多殼程，增加該流體側的對流傳熱系數，從而達到較大的總傳熱系數值。此時，因為冷流體流出換熱器溫度的數值大，無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，設計計算后所需要的傳熱面積值則大，即設備費大。因此結論是：對于高溫流體被冷卻降溫，如果冷流體流出換熱器溫度的數值取得大，運行費小，設備費大。顯然，如果冷流體流出換熱器溫度的數值取得小，運行費大，設備費小。設計目標是追求總費用最低，因此冷流體的出口溫度存在著一個最合理取值而對應于總費用最低的工程問題。另外，為了使得所設計出來的換熱器，在一定范圍內能夠適應實際生產中換熱負荷增加之后的操作彈性，在進行換熱器設計時，將冷流體的出口溫度取值適當偏大些，一旦生產上換熱負荷稍有增加，可以通過適當增加冷流體流量的措施，使得該流體側對流傳熱系數增加，同時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 間歇恒壓過濾操作過程中各時間段分配比的分析及確定

過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為例分析恒壓過濾的原理最為清晰。間歇式生產按周期進行，一個生產周期中包括過濾時間、洗滌時間和輔助時間。設備的生產能力通常以單位時間過濾得到的濾液體積量來表達。在洗滌操作條件與過濾操作條件相同,和洗滌方式洗滌水用量已定時，在過濾介質阻力很小可以忽略的條件下，理論上可以分析得到周期內的洗滌時間與過濾時間之間存在著確定的關系。輔助時間依據生產的實際條件是客觀確定的。在周期中的過濾時間段內進行著恒壓過濾，即所獲得的濾液體積量與過濾時間符合操作條件之下的恒壓過濾方程的關系。用一個生產周期來表達生產能力，顯然就是被除數是過濾時間內所獲得的濾液體積量，除數就是一個生產周期的總時間。這樣的生產能力表達式，從數學函數來分析，自變量就僅一個過濾時間，并且其對于因變量生產能力的影響是可以出現極大值。利用數學上極值理論方法，得出當在一個生產周期中，規劃過濾時間與洗滌時間之和等于輔助時間這樣的時間最佳分配比，能夠獲得生產能力的最大值。間歇過濾中時間最佳分配比的工程理論，可以分別用于解決設計型問題和操作型問題。如果生產能力已作了規定，能夠計算出周期內的最合理過濾時間以及最合理的濾框厚度；如果在給定的設備中進行操作，則合理地規劃了周期內的時間最佳分配比，能夠獲得最大的生產能力。

2.4 氣體吸收設計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，設計者根據傳質過程氣液相平衡理論，選定了吸收劑和合適的吸收溫度壓強操作條件之后，逐步展開各項內容的定量設計計算。吸收劑用量是工程中最為敏感而重要的參數，確定吸收劑用量的方法并不復雜，借助吸收操作線方程和操作線y-x坐標圖(圖上同時有溶質的氣液相平衡關系線)，分析該參數所涉及到的諸多方面，培養學生辯證綜合的思維能力極為有益。對于設計型問題，給定的氣體混合物分離任務，吸收劑用量取值大，吸收生產運行費大，這也同時影響著解吸操作負荷量大生產運行費大。但是，吸收劑用量取值大時，吸收塔內的傳質推動力大，完成預定分離任務所需要的預定填料的高度值小，從塔高這個主要尺寸來說，塔設備費小。應同時注意，盡管塔直徑主要取決于氣體的流量，但吸收劑量大的情況，或許涉及到設計計算出的塔直徑尺寸變大的可能。因此，工程設計中存在著一個最優化的吸收劑用量取值問題。對于操作型問題，塔設備尺寸已定，對于給定的氣體混合物來說，如果在一定范圍內增加吸收劑的用量，為生產帶來的意義是能夠減小氣體出塔時的溶質含量，增加溶質吸收率。但是，若是吸收劑流量值已經很大而再增加其值，這對于減小氣體出塔時的溶質含量幾乎不再有作用，此時，應防止塔內發生“液泛”的不正常現象了。

2.5 液體精餾設計中塔頂液體回流比的分析及確定

液體精餾是進行液體混合物分離常用操作。根據精餾理論原理[2]，塔頂液體回流比的取值十分重要。在進行每個具體項目的設計時，因為在餾出液組成要求值、相平衡關系以及進料組成和熱狀態等多方面都具有其特殊性，故不存在統一的回流比值。都是根據具體的設計條件首先確定出最小回流比，再擴大合適的倍數，得到操作回流比。確定回流比值的計算模式看似并不復雜，但是回流比這是一核心性工程參數，圍繞其影響著的方方面面進行全面剖析，借助精餾操作線方程和操作線y-x坐標圖(圖上同時有汽液相平衡關系線)，引導學生展開辯證思維的過程，建立設計知識體系的靈魂與脈絡，有著重要意義。對于設計型問題，回流比取值大，塔內精餾段與提餾段的傳質推動力都大，故達到預定分離要求所需要的理論塔板數小，從塔高尺寸來說，塔設備費小。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，塔頂冷凝器負荷量和塔釜加熱負荷量都增加，操作運行費增加，并且當增加回流比達到一定數值后對于增加塔內傳質推動力的作用已很微弱，故設計所需要的理論塔板數幾乎不再減小了。同時，因塔內物料流量的增加，塔直徑尺寸增加，這個因素引起塔設備費增加。分析結論是：隨著回流比值的增加，操作運行費增加，塔設備費先減小(塔板數因素)而后再增加(塔直徑因素)。因此，在工程設計中，在總費用最低時所對應的回流比值應為最優化的值。具體設計計算時，將最小回流比乘以合適的倍數得到操作回流比的值，就是希望得到總費用最低時所對應的最優化值，故這個合適的倍數值包含著技術經濟合理性，根據具體條件下的設計項目，倍數取值最后還是依工程的總費用最低為判據。

3 通過化工原理課程理論教學培育工程思維素養

在化工原理課程教學過程之中，有目的性地突出重要工程參數確定時的綜合性優化分析，既及時地引領學生鞏固與深化了對理論知識原理的理解，又培養了學生善于進行技術經濟性辯證思維綜合分析的能力。為了達到卓越工程技術人才培養的目標，教師教學過程中，在講透知識理論原理的基礎上，應予以充分彰顯課程理論知識的工程思維特性，突出分析知識體系的核心與關鍵，突出綜合性辯證分析重要工程參數最優化問題。重要工程參數是工程技術生命力的靈魂，重要工程參數最優化分析是教師授課時的精髓所在。