浅析化工基础课程中的工程研究方法

韦岩松

(河池学院 化生系,广西 宜州 546300)

浅析化工基础课程中的工程研究方法

韦岩松

(河池学院 化生系,广西 宜州 546300)

对化工基础课程中的工程研究方法进行了归纳和分析,着重讨论了量纲分析法、数学模型法、参数归并法、当量法和分类归纳法等工程研究方法的原理、特点及应用,探究了在化工基础教学中培养学生工程观念、拓宽学生学习思路、提高学生分析问题和解决问题能力的方法和途径。

化工基础;工程研究方法;量纲分析;数学模型

化工基础是化学、应用化学及应用化工技术等专业的一门主干专业基础课,课程的核心内容是化工单元操作,以传递过程及工程研究方法论为主线贯穿始终。它主要讲授化工单元操作过程中流体流动、传热和传质的基础理论,介绍化工过程中各主要单元操作的基本原理及相应的典型化工设备。该课程强调对学生工程观念和经济观念的培养,着重训练学生定量运算的能力和实验操作能力,以提高学生观察工程问题、分析工程问题和解决工程问题的能力为目标,是一门理论与实践紧密结合的应用性课程。然而由于在校的大学生对社会实践和工业生产缺乏了解,不具备实际工程经验,在学习和理解时存在一定的困难,因此在课程教学的全过程中,应该着重介绍工程研究的思维方式和基本方法,强调工程方法的实用性原则和可操作原则,帮助学生逐渐树立工程观念,掌握工程研究方法。

一般来说,基础学科 (如物理化学)的研究对象是简单、理想化或标准化的物理模型,因此可采用严密的数学分析方法来解决问题;而化学工程属于应用工程学科,它面对的是真实、复杂、具体的实际生产问题,需要用独特的工程实验研究方法来处理。这些方法和原则贯穿于化工基础课程的每一个环节,应用于化学工程的各个领域。为了更进一步的学习、运用和提高,本文根据多年的化工基础课程教学的实践和体会,对化工基础课程中的各种工程研究方法进行了研究和归纳。

一、量纲分析法

流动阻力的计算在化工基础课程中是一个重点和难点,与很多变化因素有关,尤其受流体的流动形态影响。层流时,流体内部的剪应力满足牛顿粘性定律,因此可直接推导出流体的阻力损失计算式;而当流动状态为湍流时,由于流体内部存在不规则的脉动质点,形成了无数消耗能量的小漩涡,此时流体流动的剪应力不能简单地用牛顿粘性定律来表示,因此不能用数学解析方法推导出摩擦阻力损失的关系式。为此,化学工程上采用一种独特的实验研究方法——量纲分析法来建立经验关系式[1,2]。

在实验时,每次只能改变一个变量,而将其它变量固定。若过程涉及的变量很多,则实验工作量必然很大。例如影响摩擦系数的因素有流体的密度ρ、粘度μ、流体流动的平均流速 u以及管道的直径 d和管壁的粗糙度ε,因此,摩擦系数λ为多个变量的函数,即

按通常实验方法,是先固定五个变量中的四个而改变其中的一个,测定该变量对摩擦系数λ的影响,然后按此方法依次测定每个变量对λ的影响。若每个变量改变五次 (五个水平),则一共需要进行 55=3125次实验。这种方法显然过于繁杂,而且将实验结果关联成形式简单便于应用的公式也很困难。

采用量纲分析法可有效解决这一问题。先将许多影响因素归纳整理成数量不多的几个特征数——无量纲数群,然后以这几个特征数为变量进行实验,就可以大大减少实验中自变量的个数,从而大幅度减少实验的次数,同时关联数据的工作也能得到简化[3]。

量纲分析法的基础是量纲一致性原则,即每一个物理方程式的两边不仅数值相等,而且每一项都应具有相同的量纲。其基本依据是白金汉(Buckinghan)的π定理:任何量纲一致的物理方程都可以表示为一组无量纲数群的零函数。无量纲数群的数目等于影响该现象的物理量数目减去用以表示这些物理量的基本量纲的数目。该方法的最大特点在于它不是直接寻求单因素之间的关系,而是通过无量纲化处理,将众多的单因素变量组合成数目较少的无量纲变量,然后求取无量纲变量之间的函数关系。

数学上常以幂函数来无限逼近未知的待求函数,为了简化,暂不考虑管壁粗糙度ε对λ的影响,则式 (1-1)可改写为以下幂函数形式:

二、数学模型法

数学模型法就是利用数学模型解决实际问题的方法。数学模型是联系一个系统中各变量间内在关系的数学表述体系,通过符号、函数关系将评价目标和内容系统规定下来,并把互相间的变化关系通过数学公式表达出来。

在实际工程问题中,变量之间的相互关系是十分复杂的,因此常用建立模型的方法来解决问题。具体方法是:先在分析的基础上作一些近似标准化或理想化的简化和假设,建立一个物理模型,然后通过物料衡算、能量衡算等找出模型参数之间的关系,建立数学模型,通过数学模型的求解得到模型参数,最后通过实验来检验模型的准确度并进行修正。例如,在研究管式反应器的流动模型时,首先要明确研究的目的是获得反应器内物料的停留时间分布及与转化率的关系,然后假定在连续操作管式反应器内,当流体流动处于高度湍流状态时,流动边界层所占有的物料量小到可忽略不计,反应器的任何横截面上无速度梯度,器内所有物料微团的流速均一,齐头并进,有如活塞向前推进一样,从而建立起理想管式反应器的流动模型——“活塞流模型”,在面对实际管式反应器时,考虑到一定程度的返混和阻力,在活塞流模型的基础上,迭加轴向扩散,得到非理想流动的轴向扩散模型,较好地解决了实际工程问题。

数学模型法具有评价问题抽象化和仿真化、各参数由与评价对象有关的因素构成、能明确表达出各因素之间的关系等基本特征。

与量纲分析法相比较,数学模型法的基本点是对研究过程进行深刻理解,把握住过程的本质特征,其前提条件是能找到对复杂过程进行合理简化的有效方法,进而建立起在某种程度上与真实过程等效或相近的物理模型;而量纲分析法则更注重过程的外部联系,考察宏观统计的结果而允许忽略过程的内在规律。

三、参数归并法

参数归并法是将系统中的若干个类型相同或相近的参数以特定形式归并成一个新参数,从而减少参数数量,明晰主要变量与结果的关系,并减少众多单个参数在测量、计算时的困难和麻烦的一种工程研究方法。例如,在推导气相传质速率方程时,将下列参数归并为气相对流传质系数:式中δG表示气相当量膜厚度,其值在实际中难于被准确测定,是一个模型参数。而通过参数归并,就能将众多的参数及难于测定的参数转变成相对较容易测定的气相对流传质系数 KG,实验时只须用真实物料测定KG,而不必测量各单个参数,这样就减少了过程中需要计算的参数,使问题得到简化[4]。

四、当量法

工程处理上,常用一个已知的、较为简单的过程或参数去代替另一个未知的、较为复杂的过程或参数,使两者的某一方面过程特征产生等价,从而使一些复杂问题得以简化处理。例如在传质过程机理中,湍流流体与两相界面之间的对流扩散既包含流体主体内的涡流扩散,也包含紧靠相界面处滞流层中的分子扩散,而涡流扩散系数 DE是雷诺数的函数,与流动系统的结构尺寸、流速、流体的粘度以及密度等因素有关,计算过程十分复杂。为此引入了“有效膜层”(即当量膜)的概念,将过渡层内的涡流扩散折合为通过一定厚度的静止气体层的分子扩散,这一静止气体层就是有效膜层,这样就可以认为由气相主体到界面的扩散相当于通过厚度为LG的有效膜层的分子扩散,所有的浓度梯度(或分压梯度)都集中在这一膜层内,膜内的传质以分子扩散的方式进行,于是就可以用分子扩散速率方程来描述对流扩散速率,从而大大简化了计算过程。

化工基础中当量法的应用例子还有很多,如引入当量直径用圆管内有规律的流动形态代替非圆管内的复杂流动过程;引入当量长度以直管的沿程阻力损失计算来代替管件、阀门复杂的局部阻力计算;引入当量膜厚度的概念,将传热过程中层流底层内的热传导以及层流底层外的传导加对流这一复杂过程转化成了当量膜厚内的简单热传导过程等。

五、分类归纳法

化学工程上常有一些互为关联的多因素多变量复杂体系,其实验工作量巨大而繁杂。对此,可首先对系统进行分类,将复杂过程归纳并分解成几个相互平行但互有关联的子过程,然后分别对这些子过程进行研究,寻找子过程各自的规律以及各子过程之间的相互关系,最后综合归纳,评价过程的总体效应,这就是分类归纳法。

例如在进行吸收塔填料层高度的设计计算时,由于气、液两相中的溶质组成沿填料层高度连续变化,各截面上的传质推动力均不相同,塔内各截面上的吸收速率亦各不相同,所以填料层高度的计算成为一个复杂的多变量计算过程。为了简化问题,工程上引入了传质单元数和传质单元高度这两个概念,将过程与设备加以分解:

填料层高度 =传质单元数 ×传质单元高度

传质单元数相当于单位推动力驱动传质时,所能引起混合气体组成的变化。它与物料进口、出口浓度有关,还与物系的相平衡常数有关,而与吸收塔的结构以及气相流动条件没有关系,它体现了物料分离的难易程度以及工艺方法和条件对吸收过程的影响;传质单元高度相当于完成一个传质单元分离任务所需要的填料层高度,与气相流动条件及设备的结构有关,其数值的大小反映填料性能的好坏,是吸收设备性能优劣的反映。在进行设备选型时,可通过对传质单元数的计算分析来判断和选择适合的设备。若传质单元数偏大,则可能是分离要求过高设备无法完成或选用的吸收剂能力不足,可调整分离要求或改变吸收剂的种类,以便增大过程推动力,达到减少传质单元数和降低填料层高度的目的。由此可见,通过分类归纳,复杂设备及过程得到了合理的分解和简化,这是处理复杂工程问题的又一种有效方法。

总之,工程研究方法是化工基础课程的重点和精髓,完整、正确、生动地讲授工程研究方法,是培养学生工程观念、拓宽学生学习思路、提高学生分析问题和解决问题能力的重要途径。

[1]武汉大学.化学工程基础[M].北京:高等教育出版社.2001.

[2]蒋维钧,戴猷元,顾惠君.化工原理[M].北京:清华大学出版社.2003.

[3]万惠萍,杨华.化工原理教学中类比教学法的探讨与实践[J].中国轻工教育,2007,(2).

[4]王维德.化工原理教学应重视培养学生解决工程问题的能力[J].化工高等教育,2006,(2).

G642.4

A

1672-9021(2010)S-0037-03

韦岩松 (1964-),男,广西宜州人,河池学院化生系讲师,主要研究方向:化学工程、化工矿物加工和环境工程。

2010-06-20

[责任编辑 阳崇波 ]