摘 要:文章通過實例,總結、歸納了如何學好《化工原理》課程的方法。
關鍵詞:化工原理;教學;初探
中圖分類號:G424 文獻標識碼:A 文章編號:1992-7711(2011)08-042-01
一、掌握工程特點,培養綜合、歸納能力
貫穿本課程的兩條主線即是統一的研究對象和共同的研究工程問題的方法論。
對物理化學來說,是對簡明問題用嚴密的論證方法,
《化工原理》課則要求教師用更嚴密的論證方法,如園形直管中速度分布,海根?膊答⒁斗匠掏頻嫉榷際怯媒馕齜ǖ牡湫停?但這些都是根據滯流流動的模型作出的。
然而,由于實際問題十分復雜,往往難以從理論解、解析解中得出結論。如對湍流,一方面是由于人們對湍流的認識尚不足以達到從理論上導出過程特征方程的定量表達式,另一方面則借以說明化工常用的實驗研究方法。雖然其模型能用奈維?菜雇鋅慫狗匠逃枰悅枋觶?但這個方程極難求解。有人證明,即使對園形管內簡單的湍流流動,用電子計算機也需作10????22??次運算,以每秒運算100萬次計,則需10????16??秒即3億年??梢娨鉀Q化工原理中的問題,往往要采取理論與經驗相結合的方法。如對濾液通過濾餅層的流動,由于濾液通道千變萬化,邊界條件捉摸不定,即使能列出微分方程也無法獲得解析解。但是將濾餅中不規則網狀通道簡化成若干平行園形細管,再引入一些模型參數,這些模型參數用實驗數據來擬合,于是用這種半理論、半經驗方法即可解決工程問題。運用實驗方法解決實際問題在化工過程中是屢見不鮮的,這是對過程的現有認識與實驗方法論巧妙結合的結果。所以,要學好這門課就應該樹立正確的工程觀點,以培養綜合、歸納能力。
在具體講授每個過程時可以采用如下的程序:
過程分析→過程的數學描述→實例分析
采用這樣的程序,便于體現“定性―定量―應用”三個不同層次。在過程分析中,以單元操作的物理或物理化學原理為起點,以工程目的為終點。在分析時,暫時擺脫定量的公式,充分運用邏輯思維和推理,提出問題,討論問題,解決問題。即每一章都可按工程觀點對過程進行數學描述,教學模型求解,解的應用(設計型、操作型)等幾類問題,找出共性和特性。
第一章中,過程數學描述可歸結為三個方程,即連續性方程,機械能守恒方程及阻力方程(反映阻力規律)。其中阻力方程就是過程特征方程。阻力大小與過程途徑有關,與流型有關。運用這三個方程就可以解決設計、操作中許多實際工程問題。
第二章中,離心泵的任務是在管路中為流體提供能量,完成一定輸液任務。因此,除了管路計算所需三個方程外,必然還有反映某臺離心泵本身特點的??He=f\\(υ\\)的方程。管路特性方程H=f\\(υ\\)與泵的特性方程He=f\\(υ\\)??的聯立解,反映了供需的平衡,因此離心泵是流體流動學習的繼續與深入。
二、重視習題,勤思巧解,鍛煉分析和判斷能力
要學好《化工原理》課程還要多做習題,要善于做習題,因為做習題不但對所學知識起到復習、鞏固和提高的作用,而且也是師生之間交流的極好機會,便于教師掌握學生對問題的理解情況,進而采取相應的措施,以培養他們分析問題和解決問題的能力;努力做到勤思巧解,更重要的是對做過的題目進行重新認識,以鍛煉學生分析和判斷能力。
例1 如圖1所示,在A、B兩容器的上、下各接一壓差計,兩壓差計的指示液相同,其密度為ρ????i ??,容器及測壓導管中均充滿水,試問讀數R與H之間的關系。
從??Δ??P????AB??=Rg\\(ρ??i-ρ\\)
??Δ??P????AB??=Hg\\(ρ??i-ρ\\)
立即得出H=R的結論,這是正確運用P和??Δ??P的概念,體現了巧字,比起用等壓面解省時、省力好幾倍。這個題又如何理論聯系實際?可以聯想實驗測壓裝置U型計安放位置,因為△P沒變,故讀數R不變。因此測壓裝置總裝在最方便的操作位置。
例2 某廠用φ114×4.5的鋼管輸送壓強 P=20at(絕壓)、溫度為20??℃??的空氣,流量\\(v??0\\)為6300 ??m??3/h??(標準狀況)。試求空氣在管道中的流速\\(u\\),質量流量\\(W\\)和質量流速\\(G\\)。
這個題目按以下順序解答十分簡便:
W=Vρ=V??0ρ??0=63003600×2922.4=2.27 ??kg/s??
A=π4d??2=0.785×\\(0.105\\)??2=8.65×10????-3????m????2
G=WA=2.278.65×10????-3??262 ??kg/sm??2??
又ρ=ρ??0PP??0×T??0T=2922.4×201.033×273293=23.35 ??kg/m??3??
∴u=Gρ=26323.35=11.2 ??m/s??
為了幫助學生記憶公式,并對基本概念加深理解,不妨把u、G、V、W四個參數以圖2形式加以歸納,既好記,又能揭示其內涵,每個箭頭都指向質量流量W,在定態流動時,可壓縮流體的質量流量W為常數,這才是問題的本質。
綜上所述,學習《化工原理》課程,必須具有扎實的理論基礎,清晰的思路,才能將實際問題解決與基本原理和經驗公式的運用做到融會貫通,使之迎刃而解,最后達到舉一反三的目的。
注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文