化工原理教學(xué)中換熱器與吸收塔操作型計算的類比分析

秦正龍　黃芳敏　龍洲洋

[摘 要]類比教學(xué)法在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用備受人們關(guān)注。通過對換熱器與吸收塔操作型計算的類比分析，加深學(xué)生對過程的理解，拓寬思維的空間，掌握過程的本質(zhì)，化難為易、舉一反三、融會貫通，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中易學(xué)好記，收到了事半功倍的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]化工原理；類比教學(xué)法；換熱器；吸收塔；操作型計算

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）02-0078-02

化工原理是一門重要的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程，是我院應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程、制藥工程、材料科學(xué)等專業(yè)必修的一門主干課，主要講述化工生產(chǎn)過程中單元操作的基本原理、特點和典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作性能及設(shè)計計算。[1][2]該課程具有公式多、概念多、計算量大、系統(tǒng)性差、知識面廣、內(nèi)容抽象、應(yīng)用性強等特點，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了很大困難。[3][4]面對這些問題，許多教師在化工原理教學(xué)過程中進(jìn)行了積極的探索，取得了良好的效果。本文以換熱器與吸收塔操作型計算為例，探討類比法在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用。

一、類比教學(xué)法的含義

類比教學(xué)法是以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，對事物之間的異同進(jìn)行對照分析的一種思維過程，是把相似或相近的事物進(jìn)行比較歸納，更好地認(rèn)識事物之間的個性和共性的一種教學(xué)方法。該法強調(diào)在學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)上探究新知識，促進(jìn)對新知識的遷移、認(rèn)識，建立知識之間的相互聯(lián)系，深化學(xué)生對新知識的理解、掌握。

二、換熱器與吸收塔操作型計算的類比

化工原理的計算一般分為兩類，一類是設(shè)計型計算，即根據(jù)要求的生產(chǎn)任務(wù)計算合適的過程及設(shè)備；另一類是操作型計算，即對某個過程或已有設(shè)備在一定條件下完成的任務(wù)進(jìn)行計算或者核定某些操作參數(shù)。操作型計算變量多，變量之間的關(guān)系往往又是非線性的，知識應(yīng)用靈活、計算復(fù)雜。[5]操作型計算的關(guān)鍵有三點：一是無論原工況還是新工況，物料衡算和熱量衡算總是要滿足的；二是要明確比較、計算的標(biāo)準(zhǔn)；三是計算得到的數(shù)值要與給定的條件相符合。[6]傳熱是一個重要的化工單元操作，換熱器的操作型計算是化工原理教學(xué)中的重點也是難點。在實際化工生產(chǎn)過程中，換熱器的操作型計算問題是經(jīng)常遇到的。例如判斷一個現(xiàn)有換熱器對指定的生產(chǎn)任務(wù)是否適用；或者預(yù)測某些參數(shù)的變化對換熱器傳熱能力的影響等。根據(jù)具體條件的不同，換熱器操作型計算分為兩種（以熱流體冷卻為例）：第一種是已知qm1、Cp1、T1、流向、qm2、Cp2、t1、A，求T2、t2；第二種是已知qm1、Cp1、T1、T2、t1、Cp2、流向、A，求qm2、t2。以第一種換熱器操作型計算為例，解決問題的方法是熱量衡算方程和傳熱過程的特征方程，即：

Q=qm1Cp1（T1-T2）=qm2Cp2（t2-t1） （1）

Q=KAΔtm （2）

理論上來說，聯(lián)立求解方程組（1）、（2），便可得到T2、t2。關(guān)鍵是方程（2）為非線性方程，不能直接求解，只能用迭代法。即先假設(shè)冷流體出口溫度t2，由式（1）計算T2，再由式（2）計算A*，如果計算值A(chǔ)*與已知的A相符，則計算結(jié)果正確。否則，應(yīng)修正設(shè)定值t2，重新計算，直到A*與已知的A相符為止。為了避免繁瑣的迭代，必須通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換，使方程（2）轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性方程。這樣便出現(xiàn)了消元法和假設(shè)Δt1<2Δt2 （Δt2<2Δt1），用■ 代替Δtm的計算方法，該法最后必須要驗證Δt1<2Δt2 （Δt2<2Δt1）是否成立，如果Δt1<2Δt2（Δt2<2Δt1）不成立，則該法無效。此外還可采用傳熱單元數(shù)法，如果qm1Cp1= qm2Cp2，則操作線與對角線T=t平行，Δtm= T1-t2= T2-t1，聯(lián)立求解方程組（1）、（2），便可得到T2、t2。由于熱量傳遞相對簡單，學(xué)生也比較熟悉，對換熱器操作型計算的學(xué)習(xí)并不感到十分困難。但我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于吸收及有關(guān)傳質(zhì)過程難以理解。因此，我們就利用傳質(zhì)與傳熱的類似性，進(jìn)行類比講解，溫故知新，加深學(xué)生對已學(xué)知識的理解和記憶，并使較為復(fù)雜的有關(guān)傳質(zhì)過程的內(nèi)容變得易于理解和掌握，收到了事半功倍的教學(xué)效果。具體做法是：首先把有關(guān)換熱器操作型計算的內(nèi)容總結(jié)整理成表格的形式用PPT展示（見表1），然后把吸收塔設(shè)計型計算的條件、目的、衡算方程、特征方程、計算方法等通過板書的形式與換熱器設(shè)計型計算進(jìn)行逐項比較、講解、分析、推理、概括、綜合，在兩者之間架起一座橋梁，從而啟發(fā)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的興趣，發(fā)展學(xué)生的能力，在比較輕松的氛圍中潛移默化地實現(xiàn)對新知識的遷移、認(rèn)識，避免繁雜而枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，化難為易，使學(xué)生愉快地自主學(xué)習(xí)，掌握發(fā)現(xiàn)問題、處理問題、解決問題的方法，同時，通過列表比較使所學(xué)知識條理化、系統(tǒng)化。

表1 換熱器與吸收塔操作型計算的比較

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另外，必須強調(diào)吸收塔的操作和調(diào)節(jié)的有效性。一般吸收塔的氣體入口條件是由上一工段決定的，不能隨意改變。因此，吸收塔在操作時的調(diào)節(jié)方法只能是改變吸收劑的進(jìn)塔條件，即吸收劑的流量L、溫度t、濃度x2等三大因素。增大吸收劑的用量，操作線的斜率增大，出口氣體的濃度變??；降低吸收劑溫度，氣體的溶解度增大，平衡常數(shù)減小，平衡線下移，平均推動力增加；降低吸收劑進(jìn)塔濃度，液相入口推動力增加，全塔平均推動力也隨之增大。適當(dāng)調(diào)節(jié)上述三個參數(shù)可以強化傳質(zhì)過程，從而提高吸收效果。提高吸收劑的流量固然可以增大吸收的推動力，但應(yīng)同時考慮再生設(shè)備的能力。如果吸收劑的循環(huán)量增大使解吸操作惡化，則吸收塔的液相進(jìn)口含量將上升，得不償失。當(dāng)然，采用增大吸收劑循環(huán)量的方法調(diào)節(jié)氣體出口含量y2是有一定限度的。如有一足夠高的吸收塔（H→∞），操作時必然在塔底或塔頂達(dá)到平衡。當(dāng)（L/G）﹤m時，氣液兩相在塔底達(dá)到平衡，增大吸收劑用量可以有效地降低y2；當(dāng)（L/G）﹥m時，氣液兩相在塔頂達(dá)到平衡，增大吸收劑用量不能有效地降低y2，此時只有降低吸收劑入塔濃度或入塔溫度才能使y2下降。

三、體會

（一）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理的興趣

類比教學(xué)法可以彌補“填鴨式”教學(xué)等傳統(tǒng)方法的不足，通過對照、推理、聯(lián)想、歸納，克服單純的記憶和僵化的死記硬背，將新舊知識有機地串聯(lián)起來，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識

在進(jìn)行類比教學(xué)過程中，學(xué)生全程參與，調(diào)動了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，訓(xùn)練了學(xué)生的分析歸納能力。類比教學(xué)法對于鍛煉學(xué)生的發(fā)散性思維、創(chuàng)新性思想和看問題的方式、方法都有很大的幫助。

（三）提高學(xué)生解決實際問題的能力

類比教學(xué)法有利于學(xué)生掌握知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系、使用條件、具體差別和使用范圍等，既提高了學(xué)生解決實際問題的能力，又進(jìn)行了科學(xué)方法的示范。

四、結(jié)語

熱量傳遞和質(zhì)量傳遞之間具有許多相似性，因此，在教學(xué)過程中，通過類比可將學(xué)生易混淆的知識變得明晰，難理解的知識變得易理解，難記憶的知識變得易記憶，最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理的熱情，達(dá)到素質(zhì)教學(xué)、快樂教學(xué)的效果，值得大家進(jìn)一步去探索研究。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 王志祥，黃德春.制藥化工原理（第三版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014：2.

[2] 馮尚華，何國芳，趙仁高，等.化工原理的案例教學(xué)[J].化工高等教育，2010（6）：79-81.

[3] 李梅.化工原理學(xué)習(xí)方法及教學(xué)經(jīng)驗初探[J].廣州化工，2015（5）：224-225.

[4] 史德青，王萬里.淺談開放式習(xí)題在化工原理教學(xué)中的作用[J].化工高等教育，2015（5）：92-94.

[5] 高俊，賀文智.加強操作型計算 提高綜合應(yīng)用能力[J].化工高等教育，1997（4）：54-55.

[6] 陳敏恒，叢德濨，方圖南，等.化工原理（下冊，第三版）[M].北京：高等教育出版社，2013：79.

[責(zé)任編輯：羅 艷]