有限學(xué)時下化工設(shè)計中物料衡算教學(xué)改革探索
——以直接推算法為例

吳 彬

(黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山 245041)

物料衡算是根據(jù)工藝流程設(shè)計和生產(chǎn)過程分析，定量地計算出過程中涉及的原料、中間物料、主副產(chǎn)品、工業(yè)“三廢”的物料量、組成及產(chǎn)品產(chǎn)率等技術(shù)指標。其目的是為了評價工藝路線及生產(chǎn)方法在經(jīng)濟上是否合理，技術(shù)上是否先進，為下階段的設(shè)計工作提供數(shù)據(jù)和依據(jù)[1，2]。因此物料衡算是化工工藝設(shè)計中最基本、最重要的內(nèi)容之一。

為了將培養(yǎng)重心轉(zhuǎn)移到應(yīng)用型人才，并遵循工程教育專業(yè)認證強調(diào)學(xué)習(xí)產(chǎn)出模式的OBE(Out‐come-Based Education)教育理念[3]，課程組結(jié)合國內(nèi)多部重點教材及教學(xué)經(jīng)驗重新編排了物料衡算方面的教學(xué)內(nèi)容，致力于在有限學(xué)時下講授的內(nèi)容更貼近學(xué)生的理解和思維；傳遞的設(shè)計理念更符合實際的工程意識[4，5]。本文選取了直接推算法進行物料衡算的新編教學(xué)內(nèi)容，從基本原理與概念、計算步驟，計算示例3 方面著手，同時引入Excel 輔助計算[6]，以探索解決本課程新工科背景下基于OBE理念“應(yīng)用型”人才的培養(yǎng)目標。

1 基本原理與概念

基本原理與概念編排為“一核四基”，即一個核心原理：質(zhì)量守恒定律；四個基本概念：基準、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率。

質(zhì)量守恒定律是指物質(zhì)在反應(yīng)前后的總質(zhì)量保持不變，物料衡算依據(jù)此原理建立物料衡算方程。教材常見的表述方式有文字和數(shù)學(xué)公式兩種形式表達，為了讓學(xué)生更直觀和更輕松理解其含義，同時也為其后講授繪制流程示意圖做好鋪墊，我們采用圖形的教學(xué)方式，如圖1 所示。當物流輸入系統(tǒng)時，可以看成為穿過一個虛擬的邊界線，穿過的物流一部分會在系統(tǒng)內(nèi)累計，另一部分則會輸出，即∑輸入量=累計量+∑輸出量，若為穩(wěn)流過程，則公式中累積量為零。

圖1 物料衡算流程示意圖

為了降低計算量與減小誤差，一般選用基準作為計算的初始值，其數(shù)值和單位自行假定。這部分教材一般著重從單位的選取來將基準分類，從工程角度出發(fā)，將基準按生產(chǎn)方式（連續(xù)式和間歇式）和物質(zhì)的狀態(tài)（氣液固三態(tài)）進行分類。在實際選用時要選用恰當?shù)奈镔|(zhì)作為計算基準，即一方面可以通過基準盡可能多地把未知量求出來，另一方面選取的基準盡可能在計算過程中多做乘法，少做除法，這樣會減少除不盡而帶來四舍五入的誤差問題。

轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率這3 個概念在物料衡算中非常重要，是聯(lián)系原料與產(chǎn)物的紐帶與橋梁，為了便于學(xué)生更容易理解其含義及其相互關(guān)系，首先重新組織了言簡意賅的語句定義其含義，其次是借用韋恩圖幫助學(xué)生理解概念表述中3種物質(zhì)量之間的關(guān)系。

轉(zhuǎn)化率=某原料的反應(yīng)量/某原料的進料量

選擇性=產(chǎn)物生成量折算成某原料量/某原料的反應(yīng)量

收率=產(chǎn)物生成量折算成某原料量/某原料的進料量

收率=轉(zhuǎn)化率×選擇性

圖2 原料轉(zhuǎn)換關(guān)系韋恩圖

需要補充的兩點內(nèi)容：其一是定義中的“某原料”在實際工程設(shè)計中一般選取參與反應(yīng)的關(guān)鍵組分原料，通常對于關(guān)鍵組分原料的認定是基于原料更為貴重；其二是韋恩圖體現(xiàn)在某原料的反應(yīng)量是某原料的進料量的一部分，產(chǎn)物生成量折算成某原料量是某原料的反應(yīng)量的一部分，即可以簡單理解為原料中只有一部分發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生反應(yīng)的原料中只有一部分變?yōu)楫a(chǎn)品。

2 計算步驟

物料衡算為了避免出現(xiàn)計算遺漏，也為了便于檢查核對，需要嚴格按步驟進行計算。課程組對這部分內(nèi)容也重新進行了編排，將原教材中的6 步計算改為5步計算，并增加了具體說明和圖形示例。

2.1 畫出流程示意圖，確定衡算對象和范圍

衡算對象和范圍可以是單臺設(shè)備或裝置，也可以是幾臺設(shè)備或裝置，甚至可以是整個工廠全套工藝。

圖3 平衡對象劃分示意圖

2.2 確定計算任務(wù)

在流程示意圖物流線附近標明物質(zhì)的名稱和物質(zhì)的量（或質(zhì)量），其中未知量用字母替代，為后面列衡算方程做準備。

圖4 衡算對象物質(zhì)標注示意圖

2.3 列化學(xué)反應(yīng)方程式

收集資料或根據(jù)題意，將反應(yīng)器中所有化學(xué)反應(yīng)方程式列出。

2.4 收集物性參數(shù)

通過查手冊或有關(guān)資料收集物性參數(shù)，要求不是很精確的情況下也可以通過估算方法獲得；有條件可以用計算機檢索數(shù)據(jù)庫或調(diào)出專業(yè)軟件自帶物質(zhì)物性參數(shù)；如果查不到數(shù)據(jù)，同時估算精度不夠，則只能通過實驗方法獲取。

2.5 設(shè)基準，列物料平衡方程式

平衡方程式分質(zhì)量平衡方程式和摩爾平衡方程式，一般首先列總的平衡方程式，再列組分平衡方程式，如果平衡方程式數(shù)量還不夠解出未知量，再列元素原子平衡式。

3 計算示例

按照物料衡算的步驟并結(jié)合基本原理概念解教材中一道例題。

試計算年產(chǎn)15000噸福爾馬林（甲醛溶液）所需的工業(yè)甲醇原料消耗量，并求甲醇轉(zhuǎn)化率和甲醛收率。已知條件：①氧化劑為空氣，用銀催化劑固定床氣相氧化；②過程損失為甲醛總量的2%（質(zhì)量），年開工8000 小時；③有關(guān)數(shù)據(jù)：工業(yè)甲醇組成（質(zhì)量）：CH3OH 98%，H2O 2%；反應(yīng)尾氣組成（體積分數(shù)）：CH40.8%，O20.5%，N273.7%，CO24.0%，H221%；福爾馬林組成（質(zhì)量分數(shù)）：HCHO 36.22%，CH3OH 7.9%，H2O 55.88%。

3.1 畫出流程示意圖，確定衡算對象和范圍

根據(jù)題意，借助于EXCEL 表格繪制生產(chǎn)福爾馬林工藝流程示意圖，如圖5。

圖5 福爾馬林工藝流程計算示意圖

3.2 確定計算任務(wù)

在流程示意圖上將有關(guān)已知條件標示出來，因本題計算借助于EXCEL 公式計算功能，所以未知量可不用字母替換，直接空著即可，但物質(zhì)名稱要標明清楚，條件標示見圖5。

3.3 列化學(xué)反應(yīng)方程式

3.4 收集物性參數(shù)

本題在計算過程僅涉及物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，可查資料獲取。

3.5 設(shè)基準，列物料平衡方程式

3.5.1 設(shè)基準，計算尾氣

根據(jù)基準的設(shè)立要盡可能將未知量方便求出的原則，依據(jù)題意，取尾氣100m（3STP）為計算基準。則尾氣量可全部求出，結(jié)果見尾氣計算示意圖圖6。

圖6 福爾馬林工藝流程尾氣計算示意圖

3.5.2 利用尾氣中N2量求空氣

由化學(xué)反應(yīng)方程式知，N2沒有參與反應(yīng)，因此反應(yīng)前后的量保持不變，由此計算出空氣的量，結(jié)果見空氣計算示意圖圖7。

圖7 福爾馬林工藝流程空氣計算示意圖

3.5.3 計算方程式反應(yīng)前后各物質(zhì)的量

1.先根據(jù)尾氣CH4的量求得（4）反應(yīng)方程式各物質(zhì)的量。

2.根據(jù)尾氣CO2的量求得（3）反應(yīng)方程式各物質(zhì)的量。

3.根據(jù)尾氣H2的量=反應(yīng)（2）H2的量-反應(yīng)（4）H2的量，求得（2）反應(yīng)方程式各物質(zhì)的量。

4.根據(jù)尾氣O2的量=進料空氣中O2的量-反應(yīng)（3）O2的量-反應(yīng)（1）O2的量，求得（1）反應(yīng)方程式各物質(zhì)的量。

3.5.4 福爾馬林產(chǎn)品量的計算

根據(jù)反應(yīng)器出口甲醛的量和機械損失2%，計算出福爾馬林中甲醛的量。

再根據(jù)福爾馬林組成計算出福爾馬林各物質(zhì)量，計算結(jié)果見產(chǎn)品計算示意圖圖8。

圖8 福爾馬林工藝流程產(chǎn)品計算示意圖

3.5.5 工業(yè)甲醇原料量的計算

根據(jù)工業(yè)甲醇中甲醇的量=福爾馬林中甲醇的量+甲醇反應(yīng)消耗量，計算出工業(yè)甲醇中甲醇的量。

再根據(jù)工業(yè)甲醇組成計算出工業(yè)甲醇各物質(zhì)量，計算結(jié)果見原料計算示意圖圖9。

圖9 福爾馬林工藝流程原料計算示意圖

3.5.6 反應(yīng)器出口各產(chǎn)物量的計算

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)計算結(jié)果，計算出反應(yīng)器出口各物質(zhì)量，計算結(jié)果見反應(yīng)產(chǎn)物計算示意圖圖10。

圖10 福爾馬林工藝流程反應(yīng)產(chǎn)物計算示意圖

3.5.7 吸收塔吸收水量計算

根據(jù)用水平衡，計算出吸收塔補充水量：

97.2‐30.6=66.6(kg)

3.5.8 甲醇準化率與甲醛收率計算

3.5.9 根據(jù)福爾馬林產(chǎn)量按比例放大計算

按設(shè)定基準算出的福爾馬林為63+13.7+97.2=173.9(kg)，根據(jù)題設(shè)條件，取福爾馬林產(chǎn)量2t/h 計算，則原數(shù)據(jù)需要放大=11.3 倍，計算結(jié)果見結(jié)果匯總圖11。

圖11 福爾馬林工藝流程計算結(jié)果匯總圖

4 結(jié)論

在國家“新工科”建設(shè)背景下，如何在有限學(xué)時下高效開展符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標的教學(xué)將是本課程改革的核心內(nèi)容。本文以物料衡算中的直接推算法為例，通過重新整合與編排課程教學(xué)內(nèi)容，同時注重引入實際工程設(shè)計中相關(guān)概念加以補充，采取EXCEL 輔助計算講授以提高效率，在不斷提升學(xué)生設(shè)計能力的同時，也能不斷增強學(xué)生的工程觀念和意識，實現(xiàn)新工科背景下基于OBE 理念“應(yīng)用型”人才的培養(yǎng)目標。