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化工原理教学中换热器与吸收塔操作型计算的类比分析
作者：秦正龙 黄芳敏 龙洲洋
来源：《大学教育》2017年第02期
[摘 要]类比教学法在化工原理教学中的应用备受人们关注。通过对换热器与吸收塔操作型计算的类比分析，加深学生对过程的理解，拓宽思维的空间，掌握过程的本质，化难为易、举一反三、融会贯通，使学生在学习中易学好记，收到了事半功倍的教学效果。
[关键词]化工原理；类比教学法；换热器；吸收塔；操作型计算
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）02-0078-02
化工原理是一门重要的工程技术基础课程，是我院应用化学、环境工程、制药工程、材料科学等专业必修的一门主干课，主要讲述化工生产过程中单元操作的基本原理、特点和典型设备的结构、操作性能及设计计算。[1][2]该课程具有公式多、概念多、计算量大、系统性差、知识面广、内容抽象、应用性强等特点，给学生的学习带来了很大困难。[3][4]面对这些问题，许多教师在化工原理教学过程中进行了积极的探索，取得了良好的效果。本文以换热器与吸收塔操作型计算为例，探讨类比法在化工原理教学中的应用。
一、类比教学法的含义
类比教学法是以建构主义理论为基础，对事物之间的异同进行对照分析的一种思维过程，是把相似或相近的事物进行比较归纳，更好地认识事物之间的个性和共性的一种教学方法。该法强调在学生已有知识的基础上探究新知识，促进对新知识的迁移、认识，建立知识之间的相互联系，深化学生对新知识的理解、掌握。
二、换热器与吸收塔操作型计算的类比
化工原理的计算一般分为两类，一类是设计型计算，即根据要求的生产任务计算合适的过程及设备；另一类是操作型计算，即对某个过程或已有设备在一定条件下完成的任务进行计算或者核定某些操作参数。操作型计算变量多，变量之间的关系往往又是非线性的，知识应用灵活、计算复杂。[5]操作型计算的关键有三点：一是无论原工况还是新工况，物料衡算和热量衡算总是要满足的；二是要明确比较、计算的标准；三是计算得到的数值要与给定的条件相符合。[6]传热是一个重要的化工单元操作，换热器的操作型计算是化工原理教学中的重点也是难点。在实际化工生产过程中，换热器的操作型计算问题是经常遇到的。例如判断一个现有换热器对指定的生产任务是否适用；或者预测某些参数的变化对换热器传热能力的影响等。根据具体条件的不同，换热器操作型计算分为两种（以热流体冷却为例）：第一种是已知qm1、龙源期刊网
化工原理填料吸收塔实验计算示例
填料吸收塔是一种用于气体吸收液体传质的设备，常见用于工业废气治理和化工生产过程中的废气处理。本实验将介绍填料吸收塔实验的计算方法，并通过一个示例来进行演示。
实验目的：
通过填料吸收塔实验，了解气体吸收液体传质过程，并通过实验数据进行计算和分析。
实验装置：
填料吸收塔、气体流量计、液体流量计、pH计、温度计等。
实验步骤：
1.将填料吸收塔装置好，并连接气体流量计和液体流量计等仪器。
2.将需要处理的废气通过气体流量计引入填料吸收塔，调节气体流量至设定值。
3.在填料吸收塔内加入吸收液，调节液体流量至设定值。
4.在塔中的适当位置设置取样口，用于采样分析吸收液的成分和性质。
5.连续记录吸收液进口和出口的流量、pH值、温度等数据。
实验计算：
1.计算气体的透析系数：
透析系数（D）表示气体在液体中的传质速率，一般使用亨利定律来进行计算。 透析系数（D）=φ现值/(y气体-y平衡)
其中，φ现值表示气体流量计读数，y气体为吸收塔出口气体中溶解气体的摩尔分数，y平衡为溶解气体平衡时的摩尔分数。
2.计算吸收效率：
吸收效率（η）表示填料吸收塔对废气中污染物的去除效率，可以通过水相污染物浓度的变化来计算。
吸收效率（η）=(C入-C出)/C入*100%
其中，C入为进口废气中的污染物浓度，C出为出口废气中的污染物浓度。
3.计算传质速率：
传质速率（N）表示单位时间内气体传入塔中所溶解的物质的摩尔数。
传质速率（N）=(C入-C出)*V/t
其中，C入为进口废气中的污染物浓度，C出为出口废气中的污染物浓度，V为填料吸收塔的体积，t为实验时间。
示例：
假设填料吸收塔的气体流量为100 m3/h，液体流量为50 L/h。进口废气中污染物浓度为1000 mg/m3，出口废气中污染物浓度为50 mg/m3、填料吸收塔的体积为10 m3，实验时间为3小时。
首先，计算透析系数：
吸收塔
目录
概论..................................................................................................................
设计方案..........................................................................................................
(1)吸收剂
(2)吸收流程
(3)塔设备的选择
(4)操作参数
(5)提高能来量的利用率
填料塔的设计方案
（1）塔的填料
（2）塔径的计算
（3）填料塔的高度计算
（4）
化工原理课程设计水吸收氨填料吸收塔设计(1)
化工原理课程设计——水吸收氨填料吸收塔设计
一、选择填料
本设计所选用的填料为塔形环状填料，其主要优点在于能够提高氨气与水接触的时间和接触面积，从而提高吸收效率。其次，填料的表面积大，对氨气的吸附强度较高。
二、计算填料高度
根据质量平衡公式，吸收塔中氨气的质量=进入氨气的质量-出口氨气的质量-吸收氨气的质量。结合我们所设计的填料种类和工艺流程，可以得到计算填料高度的公式：
θ=（W/N） ln [(C0-C)/(Co-Ct)]
其中，W是空气中氨气的质量流量，单位为kg/h；N是塔形环状填料每立方米的比表面积，单位为m²/m³；C0是氨气从入口口进入吸收器的浓度，单位为mg/Nm³；Ct是出口处氨气的平均浓度，单位为mg/Nm³；C是入口处水的浓度，单位为mg/L。
三、塔的直径
根据经验公式可得：填料在瞬间液晶表面液流速等于液降的经验公式。
v=1.2/(μ)½ (ΔP/ρ) ¼
其中，v是液体在塔体内部的平均流速，单位为m/s；μ是液体的粘度，单位为Pa*s；ΔP是液体在塔体内产生的液降，单位为Pa；ρ是液体的密度，单位为kg/m³。
四、结论
经过以上各个方面的计算和分析，我们得到了适合本工艺流程，并且具有高效的填料塔高度及塔直径，使本工艺流程吸收效率达到最优化程度。我们所选用的填料塔设计方案具有成本低、效率高及运行稳定等特点，非常符合实际工序的需要。
