化工原理教学中突出工程参数的辩证分析

倪献智，牟宗刚，耿 兵，李春生

(济南大学 化学化工学院，山东 济南 250022)

随着我国国民经济进入社会主义现代化建设新阶段的到来，高等教育面临着光荣而艰巨的人才培养任务。实体经济的发展壮大是国民经济基础，需要大批真正掌握工程科技理论知识和新技术开发技能的卓越人才，投身于实际工程领域中承担起高水平的工艺技术流程和设备创新性设计，以及设备高效运行的有效技术控制的艰巨任务。人才培养目标的达成需要落实在各相关的课程教学过程之中。教师在进行课程设计和课程教学过程中，面临着拓宽视野、提升境界、合理深化理论基础、以工程应用为目的的能力与素质培养、真正提高教育教学质量的必然需要。

1 化工原理课程知识内容的性质

化学工程学科的知识体系不断地得以充实，但是以动量传递理论、热量传递理论、质量传递理论为基础的化工单元操作的原理和规律，始终是建构化学工程知识体系的主体框架。化工原理课程所研究的对象是实际化工过程中的各种单元操作，是利用数学、物理和化学等自然科学的理论，分析各种化工操作的原理和规律，得到工程理论，并利用这些工程理论进行化工过程设计、工艺计算、设备构造设计等。在当今着力培养化学工程卓越科技人才的教育过程中，高度重视化工原理课程知识的性质特征和课程知识功能特征，深入剖析该课程知识中所蕴涵的工程科技理论原理的严密性和确定重要工程参数时的辩证思维特性，培养学生既能够在理论上深刻理解技术原理，又能够在技术的经济合理性上掌握化工设计中的关键性参数确定时的辩证分析与决定能力，使得该课程教学真正起到增长知识培育智慧的功能。

2 化工原理课程知识中确定工程参数时的典型分析

化工原理在对于各个单元操作的原理进行理论剖析过程中，遇到多种工程参数的确定问题。当明确了基本理论原理之后，对于其中的某些关键性参数数值的确定，必须从工程技术理论原理上给予多方面综合性的剖析，使得学生从技术理论原理和技术经济最优化的高度，获得认知。现列举工程上最常见而重要的关键性参数，阐释在教学过程中突出分析的重要性所在。

2.1 流体输送管道设计时流速的分析及确定

为了完成指定流体输送的需要进行管道直径的设计是工程中最常见的事，工程上希望所设计出的管道，设备费和运行费之和最低。管道直径尺寸值影响着设备费，输送过程中的机械能损失值决定着运行费，而影响着这两种费用数值大小的最核心因素就是管道内流体流速值的大小[1]。在需输送流体流量一定的情况下，如果流速的取值大，则所需要的管道直径值小，设备费用值小。但是，管内流体流动过程中的机械能损失值与流速值有着直接的关系。当流体为层流流动型态时，机械能损失值与流速值成正比关系，若是提高流速流动型态变化为高度湍流，则机械能损失值与流速值的2次方成正比关系，即流速值越大，对于流动过程中所造成的机械能损失值的影响越大。在实际工程设计中，生产安全的前提下，技术的经济性是根本，故应通过取不同流速值具体的设计方案比较，确定出最经济合理的流速值或某一变化范围。

2.2 换热器设计时载热体出口温度的分析及确定

在工程上，利用换热设备进行工艺流体温度的调整是常见的操作。以某种高温流体被冷却降温为例，根据生产条件选取了某种载热体，即某种冷流体(冷却剂)，在冷流体流出换热器温度的取值上，就要给予全面分析[1]。根据换热任务可知热负荷值，即生产要求达到的传热速率值已定，所选取的冷流体初始温度已定，在考虑了换热过程中热流体与冷流体温度差的基础上，如果冷流体流出换热器温度的数值取得大，则所需冷流体的流量小，运行费小。但是，因为冷流体的流量小，在换热器的结构设计上，就应考虑如何提升该流体侧的实际流速，如多管程或多壳程，增加该流体侧的对流传热系数，从而达到较大的总传热系数值。此时，因为冷流体流出换热器温度的数值大，无论安排逆流换热还是并流换热，传热的平均温度差值均较小，设计计算后所需要的传热面积值则大，即设备费大。因此结论是：对于高温流体被冷却降温，如果冷流体流出换热器温度的数值取得大，运行费小，设备费大。显然，如果冷流体流出换热器温度的数值取得小，运行费大，设备费小。设计目标是追求总费用最低，因此冷流体的出口温度存在着一个最合理取值而对应于总费用最低的工程问题。另外，为了使得所设计出来的换热器，在一定范围内能够适应实际生产中换热负荷增加之后的操作弹性，在进行换热器设计时，将冷流体的出口温度取值适当偏大些，一旦生产上换热负荷稍有增加，可以通过适当增加冷流体流量的措施，使得该流体侧对流传热系数增加，同时冷流体流量增加使得其出口温度降低，传热的平均温度差值增加，从而传热速率增加。

2.3 间歇恒压过滤操作过程中各时间段分配比的分析及确定

过滤是分离悬浮液的常用操作，以间歇式操作的板框式压滤机为例分析恒压过滤的原理最为清晰。间歇式生产按周期进行，一个生产周期中包括过滤时间、洗涤时间和辅助时间。设备的生产能力通常以单位时间过滤得到的滤液体积量来表达。在洗涤操作条件与过滤操作条件相同,和洗涤方式洗涤水用量已定时，在过滤介质阻力很小可以忽略的条件下，理论上可以分析得到周期内的洗涤时间与过滤时间之间存在着确定的关系。辅助时间依据生产的实际条件是客观确定的。在周期中的过滤时间段内进行着恒压过滤，即所获得的滤液体积量与过滤时间符合操作条件之下的恒压过滤方程的关系。用一个生产周期来表达生产能力，显然就是被除数是过滤时间内所获得的滤液体积量，除数就是一个生产周期的总时间。这样的生产能力表达式，从数学函数来分析，自变量就仅一个过滤时间，并且其对于因变量生产能力的影响是可以出现极大值。利用数学上极值理论方法，得出当在一个生产周期中，规划过滤时间与洗涤时间之和等于辅助时间这样的时间最佳分配比，能够获得生产能力的最大值。间歇过滤中时间最佳分配比的工程理论，可以分别用于解决设计型问题和操作型问题。如果生产能力已作了规定，能够计算出周期内的最合理过滤时间以及最合理的滤框厚度；如果在给定的设备中进行操作，则合理地规划了周期内的时间最佳分配比，能够获得最大的生产能力。

2.4 气体吸收设计中吸收剂用量的分析及确定

气体吸收通常多选用填料塔设备[2]。工程中给定了需要分离的气体混合物，并且提出了分离要求，设计者根据传质过程气液相平衡理论，选定了吸收剂和合适的吸收温度压强操作条件之后，逐步展开各项内容的定量设计计算。吸收剂用量是工程中最为敏感而重要的参数，确定吸收剂用量的方法并不复杂，借助吸收操作线方程和操作线y-x坐标图(图上同时有溶质的气液相平衡关系线)，分析该参数所涉及到的诸多方面，培养学生辩证综合的思维能力极为有益。对于设计型问题，给定的气体混合物分离任务，吸收剂用量取值大，吸收生产运行费大，这也同时影响着解吸操作负荷量大生产运行费大。但是，吸收剂用量取值大时，吸收塔内的传质推动力大，完成预定分离任务所需要的预定填料的高度值小，从塔高这个主要尺寸来说，塔设备费小。应同时注意，尽管塔直径主要取决于气体的流量，但吸收剂量大的情况，或许涉及到设计计算出的塔直径尺寸变大的可能。因此，工程设计中存在着一个最优化的吸收剂用量取值问题。对于操作型问题，塔设备尺寸已定，对于给定的气体混合物来说，如果在一定范围内增加吸收剂的用量，为生产带来的意义是能够减小气体出塔时的溶质含量，增加溶质吸收率。但是，若是吸收剂流量值已经很大而再增加其值，这对于减小气体出塔时的溶质含量几乎不再有作用，此时，应防止塔内发生“液泛”的不正常现象了。

2.5 液体精馏设计中塔顶液体回流比的分析及确定

液体精馏是进行液体混合物分离常用操作。根据精馏理论原理[2]，塔顶液体回流比的取值十分重要。在进行每个具体项目的设计时，因为在馏出液组成要求值、相平衡关系以及进料组成和热状态等多方面都具有其特殊性，故不存在统一的回流比值。都是根据具体的设计条件首先确定出最小回流比，再扩大合适的倍数，得到操作回流比。确定回流比值的计算模式看似并不复杂，但是回流比这是一核心性工程参数，围绕其影响着的方方面面进行全面剖析，借助精馏操作线方程和操作线y-x坐标图(图上同时有汽液相平衡关系线)，引导学生展开辩证思维的过程，建立设计知识体系的灵魂与脉络，有着重要意义。对于设计型问题，回流比取值大，塔内精馏段与提馏段的传质推动力都大，故达到预定分离要求所需要的理论塔板数小，从塔高尺寸来说，塔设备费小。但是，随着回流比取值增加，塔的精馏段与提馏段的汽相流量和液相流量都增加，塔顶冷凝器负荷量和塔釜加热负荷量都增加，操作运行费增加，并且当增加回流比达到一定数值后对于增加塔内传质推动力的作用已很微弱，故设计所需要的理论塔板数几乎不再减小了。同时，因塔内物料流量的增加，塔直径尺寸增加，这个因素引起塔设备费增加。分析结论是：随着回流比值的增加，操作运行费增加，塔设备费先减小(塔板数因素)而后再增加(塔直径因素)。因此，在工程设计中，在总费用最低时所对应的回流比值应为最优化的值。具体设计计算时，将最小回流比乘以合适的倍数得到操作回流比的值，就是希望得到总费用最低时所对应的最优化值，故这个合适的倍数值包含着技术经济合理性，根据具体条件下的设计项目，倍数取值最后还是依工程的总费用最低为判据。

3 通过化工原理课程理论教学培育工程思维素养

在化工原理课程教学过程之中，有目的性地突出重要工程参数确定时的综合性优化分析，既及时地引领学生巩固与深化了对理论知识原理的理解，又培养了学生善于进行技术经济性辩证思维综合分析的能力。为了达到卓越工程技术人才培养的目标，教师教学过程中，在讲透知识理论原理的基础上，应予以充分彰显课程理论知识的工程思维特性，突出分析知识体系的核心与关键，突出综合性辩证分析重要工程参数最优化问题。重要工程参数是工程技术生命力的灵魂，重要工程参数最优化分析是教师授课时的精髓所在。