独立学院化工原理中操作型问题初探

王佳佳

摘 要：化工原理课程教学中，涉及到的问题主要包括操作型计算问题及设计型计算问题。针对独立学院学生学习被动、理解能力较弱的特点，采用归纳、总结的方式进行教学。本文以操作型计算为例，对管路、换热器、吸收塔以及精馏塔计算的一般方法进行汇总对比，帮助学生对化工原理中操作型问题的理解，强化学生对化工原理中操作型问题的的掌握。

关键词：化工原理 操作型问题 教学

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：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

化工原理作为化学工程与工艺、制药工程、高材及其相关专业的一门专业基础课，对于学生从基础理论课到专业实践课的学习起到非常重要的衔接作用[1-3]。化工原理课程的内容一般是由许多简单的单元操作所构成，按照操作的目的，可以将这些单元操作分为：物料的减压、增压及输送；物料的加热与冷却；物料的分散与混合；均相混合物的分离；非均相混合物的分离等等。单元操作的内容有过程及设备，当以过程为条件，去求一个设备，即为设计型问题[4-5]；反之，则为操作型问题。针对独立学院学生学习很被动，不喜欢学习，理解能力较差的特点[6-8]，将所学内容进行化繁为简，归纳总结进行对比学习不失为一种较好的教学方式。下面我们就以化工原理课程中常见的对以动量传递为特征的管路、以热量传递为特征的换热器、以质量传递为特征的吸收塔与精馏塔，这四个单元操作的操作型问题[9-10]进行初步探讨，归纳总结。

1 管路的操作型问题

化工生产过程中常见的管路主要有简单管路和复杂管路，下面我们就以简单管路为例来介绍一下操作型问题的解决方式。操作型问题即已知管路设备，在一定条件下，计算其输送能力。常见的管路操作型计算，第一种命题为给定条件为：管内径d、管路长度l、阻力系数∑ζ、绝对粗糙度ε、（p1+ρgz1）、（p2+ρgz2），要求计算输送量qv；第二种命题为给定条件为：管内径d、管路长度l、阻力系数∑ζ、绝对粗糙度ε、（p2+ρgz2）、输送量qv，需要求（p1+ρgz1）。以第一种命题为例，求解时用到的方程如下：

计算方法为：如果属于一般湍流，摩擦系数计算式为非线性，需要试差求解。首先设定λ值，然后依次求出u、Re、λ计，比较λ计与初值λ是不是接近，若不接近，修正λ值，重新进行计算，若接近，根据质量守恒式求出qv。如果是充分湍流，则无需试差，摩擦系数计算式为λ。如果是层流，摩擦系数计算式为。

2 换热器的操作型问题

一般而言，在化工厂的所有设备资产中，传热设备所占的比重较大，有些已然临近一半，因此传热过程是化工生产过程中显得要尤为重要，而换热器的操作是常规问题，比如说参数的变化对换热器的传热能力所产生的影响。操作型计算的命题主要有两种方式：一种是已知设备、操作条件，求操作结果，即已知传热系数K、传热面积A、热流体进口温度T1、冷流体进口温度t1、热流体质量流量qm1、冷流体质量流量qm2，求热流体出口温度T2及冷流体出口温度t2；另一种是已知某一设备条件及某一规定操作条件，求另一操作结果，即已知传热系数K、传热面积A、热流体进口温度T1、冷流体进口温度t1、热流体质量流量qm1、热流体出口温度T2，求冷流体质量流量qm2及冷流体出口温度t2。求解时用到的方程如下：

所以，将以上两式进行联立求解，一般传热的操作型问题均可得到解决。对于第一类命題的操作型问题，可先将传热基本方程式化为简单的线性方程，再次采用消元法得出结果；对于第二类命题，需对传热基本方程式进行直接处理，这时就需要用到试差法进行逐步逼近。

3 吸收塔的操作型问题

吸收是将气体混合物中的各个组分加以分离，从而达到净化或者是回收的目的，吸收操作在化工原理各单元操作中同样占据着比较重要的地位。假设为低含量气体吸收，则其相平衡关系服从亨利定律，即相平衡线为一条直线，通过原点。吸收塔常见的操作型问题有两类：第一类是给定条件吸收塔的高度H、气体流率G、进口气体中溶质摩尔分数y1、进口吸收溶剂中溶质的摩尔分数x2、两相总传质系数或、相平衡常数m、液体流率L，计算出口气体中溶质摩尔分数y2、进口吸收溶剂中溶质的摩尔分数x1；第二类是已知吸收塔的高度H、气体流率G、进口气体中溶质摩尔分数y1、出口气体中溶质摩尔分数y2、进口吸收溶剂中溶质的摩尔分数x2、两相总传质系数Kya或Kxa、相平衡常数m，计算液体流率L、进口吸收溶剂中溶质的摩尔分数x1。求解时用到的方程如下：endprint

一般情况下，吸收类的操作型问题皆可对以上三式进行联立求解。第一类命题可以试差也可不试差求解，第二类命题则必须试差进行求解。针对第一类命题，第一种方法为试差法，依据是比较H的计算值与给定值，计算过程为设定y2，逐步计算、、、H计的值，此时与给定H值进行比较；第二种方法为吸收因数法，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。第三种方法为消元法，

吸收塔的操作型问题最重要的特征就是H一定，调节的目的是使得y2降低或组分的回收率提高，可以采用3种方式进行调节，最常用的方法就是增大吸收剂用量L，降低吸收剂入口温度t或者降低吸收剂进口浓度x2，均可达到调节的目的。

4 精馏塔的操作型問题

精馏是将液体混合物加以分离，从而达到提纯目标组分，或者是回收目标组分的目的，同样即化工原理中较为重要的单元操作。由于每块塔板上两相传热和传质速率不仅仅取决于塔板上面的操作条件，塔板自身的结构也是其影响因素，难以用较为简单的方程表示出来，因此，为了简便，提出了理论板和恒摩尔流假定。所谓理论板，就是离开板的两相互成平衡且温度相同。恒摩尔流假定即忽略温度及组成所引起的汽化潜热饱和液体焓的区别，这样使得塔内无加料和出料的任意塔段中，各板下降的液体量一样，上升的蒸汽量也均一样。这样，就简化了精馏塔内的计算过程。

精馏过程的操作型命题是已知全塔总板数N与加料位置（第m块板）、加料热状态q、相对挥发度α、回流比R、原料组成、塔顶馏出液的采出率D/F，需求产品组成、及逐板的组成分布。求解时用到的方程如下：

精馏的操作型计算具有以下特点：（1）变量较多，比如说进料量F、进料组成、R、q值及压强P都可以改变，同时变量之间又是非线性的关系，这时即需要通过试差来进行计算。（2）通常进料板位置不符合所说的最优位置。操作时，当回流比R增大时，精馏段的液气比增加，精馏段操作线斜率变大；提馏段气液比增大，提馏段操作线斜率变小，操作稳定的时候，塔顶组成有所提高，塔底组成降低。操作时，在回流比不变的情况下，若进料组成下降，则塔顶组成与塔釜组成均下降。

5 结语

由上面的分析可知，在进行管路、换热器、吸收塔、精馏塔的操作型计算时，均是通过守恒方程、相平衡方程及过程特征方程进行求解的，但是由于各种变量之间所发生的非线性关系，所以一般情况下，化工原理中的操作型方程都要进行试差（迭代）求解。同时，在进行单元操作的计算时，我们可以将数学与计算机结合起来，采用数学里面的算法知识，以计算机进行模拟计算，这样就简化了计算，学生就不会再惧怕化工原理课，不会感觉到自己在听天书，便能很轻松的学习化工原理课程了。

参考文献

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[9] 陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理（上册，第四版）[M].北京：高等教育出版社，2015.

[10]陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理（下册，第四版）[M].北京：高等教育出版社，2015.endprint