化工原理教学中的方法论

收稿日 期 #2018 -06 -26
基 金 项 目 #江 苏 省 高 校 品 牌 专 业 建 设 工 程 资 助 项 目 （PPZY2015B110);江 苏 师 范 大 学 教 育 教 学 课 题 资 助 项 目 （JYKTY20170 4 ) 。 作者简介:秦正龙（1963— ) ，男 ，本 科 ，教 授 ，主要从事化工原理教学和物质定量构效关系的研究，E - mail:hxxqzl@ jsnu.edu.< 。
第 33卷第1期 Vol. 33, No. 1
化工吋刊 Chemical Industry Times
2019年 1 月 Jan. 2019
doi &10.16597/j .cnki.issn.1002 - 154x.2019. 01. 015
化工原理教学中的方法论
秦正龙
(江苏师范大学化学与材料科学学院，江 苏 徐 州 221116)
2 通过物料恒算,计算过程时间
对于非定态的流体流动，最常遇到的是容器中液 位 升 高 或 下 降 时 间 的 确 定 问 题 。解 决 问 题 的 关 键 是 找 到 时 间 变 量 与 液 位 升 高 变 量 之 间 的 关 系 。这 需 要 通 过 物 料 衡 算 ，在某 一 微 元 时 间 段 内 建 立 起 变 量 之 间 的关系式，然后通过积分来解决。例如 有 一 高 位 槽 ， 直 径 7 为 1 3 ，水 深 2 3 ，在其底部连接一根直径8 为 20 3 3 、长 9为 4 3 、摩擦阻力系数" 为 0 . 0 2 的直管，
化工原理是化工及相关专业一门重要的工程技 术 基 础 课 程 ，主要讲述 化 工 生 产 过 程 中 单 元 操作的原 理 、特 点 和 典 型 设 备 的 结 构 、操 作 性 能 及 设 计 计 算 等 [1]，其研究 内 容 体 系 庞 大 ，知 识 种 类 繁 多 ，理论性 和 实 践 性 较 强 ，要 解 决 的 不 仅 是 过 程 的 基 本 规 律 ，而 且是真实复杂的工程实际问题[2]。因 此 ，在课程教 学 过 程 中 ，既 要 强 调 对 单 元 操 作 知 识 的 传 授 ，更要 注 重 处 理 工 程 实 际 问 题 的 方 法 阐 述 [3]，培 养 学 生 分 析 解决问题的能力，掌握基本的观点和方法，这就是化 工原理教学的方法论。如何在教学过程中阐述方法， 给予学生方法论方面的启迪，许多教师进行了积极的 探 索 [4,5]。本 文 以 物 料 衡 算 为 例 ，剖 析 其 在 化 工 原 理 教学中的应用。
一 52 —
秦正龙.化工原理教学中的方法论
2019. Vol. 3 3 ,No. 1
求槽内液面下降1 m 所需的时间？ 首 先 ，取 微 元 时 间 M ,显然在该微元时间内通过
槽底细管流出系统的水量一定等于高位槽中减少的 水 量 ，即 ：
4
4
(4)
在高位槽的水面与细管出口之间列机械能衡算
式 ，得细管出口水的瞬时速度：为 ：
摘 要 化 工 原 理 是 应 用 自 然 科 学 的 原 理 研 究 化 学 工 程 中 的 客 观 规 律 ，得 到 解 决 实 际 化 学 工 程 问 题 的 理 论 和 方 法 ， 是 衔 接 理 论 基 础 课 和 专 业 技 术 课 的 重 要 桥 梁 。 因 此 ，在 教 学 过 程 中 ，既 要 强 调 对 化 工 单 元 操 作 知 识 的 传 授 ，更 要 归 纳 提 炼 对 工 程 问 题 的 考 察 观 点 和 处 理 方 法 。 本 文 以 物 料 衡 算 为 例 ，剖 析 其 在 化 工 原 理 教 学 中 的 应 用 。 关 键 词 化工原理教学方法论
塔底釜液的采出率, / F 、进 料 组 成 / 、塔顶产品组成
/ 、塔底产品组成/ 之间有什么样的约束关系？
对总物料衡算：
F = 7 +W
量 为 3 Ai 4d0 ，一定等于单位时间通过该微元塔段气
相中溶质组分 > 减 少 的 量 - 2 2d- ，6(1&
N Aa A d Z = - A V d y
(1)
而
Na =4(-- - & )
(2)
将 (2)式代入(1)式 ，积分可得塔高Z &
可 见 ，解决填料层高度Z 的设计计算，体现了在 充分利用物料恒算分析问题时，善于进行组织策略或 是 寻 找 技 巧 ，从 而 有 效 地 解 决 问 题 。
(5) =$进= " 8 将 (5 )式代入(4 )式 ，整理并积分得：
7 槡 1 = $进 = "
百度文库
d%
"d;
82 ^ 2 g
12
0. 5 +0. 02
4 0. 02
丨d z = 565?
0. 022 x 槡 x 9. 8 」
3 通过物料恒算,理清参数关系
精馏是化工原理教学中的重点和难点，该章理论
性 强 、公式多、参数间相互关系复杂、知识应用灵活、 变化规律难于掌握[8]。塔 顶 馏 出 液 的 采 出 率 7 / F 、
对化工过程进行物料衡算，是质量守恒描述问题 和 解 决 问 题 最 重 要 的 工 程 方 法 。利 用 物 料 衡 算 建 立 方程时，首先要选取合适的控制体，如某一设备、某一 微 元 体 积 、某 一 微 元 时 间 等 ;其 次 要 选 取 适 宜 的 参 数 描述物质的量，并选择关键组分，再结合问题的实际 条 件 ，得到解决问题的数学方程。
。 为了解决填料层高度的计算，先在填料吸收塔中
任意截取一段高度为d0 的微元填料层，在微元填料
层 对 溶 质 A 组分进行物料衡算，其 中气、液两相的传
质 面 积 为 1210。若 所 取 微 元 处 的 局 部 传 质 速 率 为
，则单位 时 间 在 此 微 元 塔 段 内 溶 质 组 分 A 的传递
1 , 通过物料恒算 确定设备尺寸
对 于 气 体 吸 收 ，为 了 达 到 预 定 的 分 离 任 务 ，计算 出填料层的高度是最为重要的设计内容。显 然 ，所有 吸收速率方程式都只适用于吸收塔的任一横截面，而 不能直接用于全塔。就整个填料层而言，气 、液两相 的浓度沿着塔高不断变化，塔内各横截面上的吸收速