化工單元操作與傳遞過程的關聯性教學改革研究

石國亮，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 化學與生物工程學院，山西 太原 030024；2.太原科技大學 教務處，山西 太原 030024；3.中國聯合網絡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專業的專業基礎主干必修課程，其教學內容、教學方法及教學質量已被作為衡量化工相關專業類本科教育水準的重要評價指標或評價體系[1]。目前，化工原理課程教學內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的典型單元設備的結構特點和計算，并且運用上述知識去對相關化工單元設備進行研發、設計和選型，從而體現了該課程特有的“基礎性”和“工程應用性”雙重特點[2]。這也正是該課程可作為《物理化學》等前修基礎課程和《化工分離工程》等后續專業課程的承上啟下的橋梁作用所在，更重要的是對于引導學生具有工程概念和工程意識發揮著重要的作用。顯然，對化工原理課程中的化工單元操作有很好的理解至關重要，化工各單元操作按照其操作特點分別歸屬于動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞(簡稱“三傳”)，這在化工原理課程中已經介紹，然而關于其傳遞過程以及“三傳”之間的關聯等內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”之間的關聯性。化工傳遞過程原理課程則主要介紹了“三傳”的數學模型推導與應用以及“三傳”之間的聯系，而對單元操作的內容則未做任何介紹。如果將兩門課程相關內容加以有機耦合，則有望實現單元操作和傳遞過程即“三傳”內容的有效對接，用傳遞過程的理論知識來指導單元操作的實踐過程，這將更大程度的體現出理論與實踐相結合的重要性，從而增強學生對實際單元操作和傳遞過程理論的理解掌握和工程應用。

本文正是基于實現單元操作和傳遞過程即“三傳”內容的有效對接之目的，通過探討化工單元操作與化工傳遞過程之間的關聯性，進而構建化工單元操作中“三傳”機理的理論教學模式，旨在豐富和促進化工原理課程內容體系，加強學生理論聯系實際能力的培養。

1 教學改革研究內容與目標

(1)探索研究化工單元操作中“三傳”機理的理論教學研究的理論基礎。以“三傳機理”為切入點，通過將“三傳”之間的內在聯系滲透到相應的化工單元操作當中，從而搭建“三傳”在單元操作中的理論教學基礎。

(2)探索研究如何解決“三傳”機理與單元操作的有機耦合，優化理論教學內容。分別從“三傳”的內在聯系和相應的單元操作的基本原理兩方面尋找接入點進行耦合，例如將某一單元操作中所涉及的傳遞過程(可能為單一傳遞現象或兩種以上傳遞現象共存)，并以此傳遞現象規律為理論基礎對相應的單元操作優化理論指導，達到二者有機結合，優化理論教學內容。

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

本課題以構建化工單元操作中“三傳”機理的理論教學新教學模式為研究總目標。

2 教學改革研究方法

首先從三種傳遞過程機理入手，分析它們的理論基礎及其之間的內在聯系；然后以某個或某幾個重要的化工單元操作作為工程實踐研究對象，分別闡述其涉及的基本操作原理；再通過分析二者的側重點，進而找到它們的耦合之處，切實體現出理論與實踐相結合的重要意義。同時，以“三傳”理論與實際“單元操作”的耦合點為指導，構建“傳遞理論”在單元操作中的理論基礎，探討新的教學模式和教學方法。

3 教學改革實施過程

3.1 “三傳”通用表達式的推導[4]

3.1.1 動量傳遞過程

其物理意義可理解為，動量擴散系數與動量濃度梯度的乘積。

從上述方程式①的分析，可以表示出動量傳遞過程的基本方程，即

動量通量

= 動量擴散系數*動量濃度梯度 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

= 熱量擴散系數*熱量濃度梯度 ④

3.1.3 質量傳遞過程

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：

質量通量

= 質量擴散系數*質量濃度梯度 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式：通量=-擴散系數*濃度梯度。顯然，它們之間存在著相似的傳遞現象或必然的內在聯系，這種相似性又可以歸結為統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”機理理論教學研究的理論指導。

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精餾單元操作為例，其連續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，從進料板沿塔下降至塔底的液相流經再沸器加熱，部分液體汽化返回塔內，以形成沿塔上升的汽相流，其余部分液體作為塔釜產品引出；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品引出。這樣，在精餾塔內沿塔上升的汽相流與下降的液相流就會逐級進行多次接觸蒸餾，從而使得上升汽相流中的易揮發組分(苯)逐漸增加，下降液相流中的易揮發組分(苯)逐漸減少或難揮發組分(甲苯)逐漸增加，在塔頂即可獲得較高純度的易揮發組分(苯)產品，塔底獲得較高純度的難揮發組分(甲苯)產品[5]。

從上述精餾操作原理中，可以看出精餾的實質是在每一層塔板上的液相流和汽相流逐級接觸，并經多次部分汽化或多次部分液化，從而實現了苯-甲苯混合液的高純度分離。那么，在整個精餾分離混合溶液過程中，必然伴隨著以下傳遞過程現象的出現：(1)汽液相流在塔板之間的流動，屬于動量傳遞現象；(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，屬于熱量傳遞現象；(3)液相流中易揮發組分苯向汽相流中轉移，汽相流中難揮發組分甲苯向液相流中轉移，屬于質量傳遞現象。

圖1 “三傳”與精餾操作的關聯性示意圖

顯然，三種傳遞過程貫穿于精餾操作全過程，其中歸屬于動量傳遞現象的汽液相回流是保證精餾連續操作的必要條件，歸屬于熱量傳遞和質量傳遞現象的易揮發組分(苯)與難揮發組分(甲苯)在汽液相之間的相互轉移是精餾操作的必然結果。它們之間的關聯性可以用圖1加以描述。

從圖1中可以看出，由于流體之間發生的動量傳遞現象，促使汽液相流體相互接觸，進而在熱量濃度梯度的推動力下發生著熱量的交換，同時在質量濃度梯度的推動力下發生著易揮發與難揮發組分的轉移，從而確保了連續精餾操作的正常運行。顯然，“三傳”理論在精餾單元操作過程中得到了充分的實踐，而精餾過程又無處不體現出了“三傳”的理論基礎。換言之，“三傳”理論與精餾單元操作相輔相成，展現了很好的耦合作用效果。

4 教學改革新型教學模式的探討

以單元操作作為講述背景，以“傳遞現象”作引導，通過提出問題、分析問題、解決問題，從而構建傳遞過程與單元操作原理相耦合的新型教學模式。下面以換熱單元操為例加以闡述。為使學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？我們知道換熱片內部有熱水，換熱片內表面緊鄰熱水，流動的熱水依靠大量的熱水質點的位移首先將熱量傳給內表面，這樣的傳熱方式就是熱對流；然后獲得熱量的內表面通過無規則的分子之間碰撞再將熱量傳給外表面，在這個過程中無宏觀質點位移發生，這樣的傳熱方式就是熱傳導；周圍流動的冷空氣也憑借其不斷的發生位移并且以對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。總得結果就是相當于暖氣片內的熱水與室內的冷空氣進行了換熱或熱量傳遞。顯然，通過上述問題分析，導入了換熱的基本概念，也理解了滿屋子暖和的感覺。

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

5 結語

通過分析三種傳遞過程機理，得出了三種傳遞過程相似的傳遞現象或必然的內在聯系規律，獲得的通用表達式加以描述三種傳遞過程的基本理論，進而形成了化工單元操作中“傳遞理論”教學研究的理論基礎。而單元操作過程中又無處不體現著“三傳”的理論基礎，表明了“三傳”理論與實際單元操作相輔相成、相得益彰的關聯效果。因此開展傳遞過程理論與實際單元操作相耦合的新型教學模式，既可豐富化工原理課程內容體系，還可加強學生理論聯系實際能力的培養。