湯雁婷,郭泉輝*

(1.河南大學(xué) 化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院,河南 開封 475004 ; 2.河南省功能材料與催化反應(yīng)工程中心,河南 開封 475004)

化工原理是化工、材料、醫(yī)藥、輕工、環(huán)境、生物類等專業(yè)最重要的一門主干必修技術(shù)基礎(chǔ)課程。作為一門通用性很強(qiáng)的課程,化工原理課程中所涉及的單元操作主要包括流體流動(dòng)、沉降、過濾、傳熱、蒸發(fā)、吸收、精餾、萃取、干燥等,研究對象由過程和設(shè)備兩部分構(gòu)成,以傳遞過程原理為主線,是現(xiàn)代工程技術(shù)中的關(guān)鍵共性技術(shù)?；ぴ碇懈鲉卧僮骺此篇?dú)立,實(shí)則由一些共性規(guī)律形成的工程學(xué)研究方法將各個(gè)章節(jié)貫穿在一起?？v觀化工原理全書內(nèi)容,各單元操作可歸屬為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞過程?；ぴ碜鳛榛I(yè)由基礎(chǔ)課過渡到專業(yè)課的橋梁,此時(shí),學(xué)生還未去化工廠進(jìn)行見習(xí)和實(shí)習(xí),大部分學(xué)生處于對化工過程和化工設(shè)備還不熟悉的階段,需要選用一個(gè)復(fù)雜的實(shí)際工程案例作為貫穿化工原理課程的主線;又需要貼近生活實(shí)際、通俗易懂,才能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)及工程觀點(diǎn),從而培養(yǎng)學(xué)生具有解決工廠中復(fù)雜工程實(shí)際問題的能力。因此,可以采用空分過程作為主線,貫穿化工原理課程的整個(gè)教學(xué)過程。

空分過程是通過分離技術(shù)將空氣分離成氧、氮、氬等產(chǎn)品的過程?？辗肿鳛楣I(yè)氣體行業(yè)的主體,其生產(chǎn)的氧氣、氮?dú)?、氬氣約占全部工業(yè)氣體產(chǎn)品的90%,廣泛應(yīng)用于化工、冶金、航天等行業(yè),被稱為“現(xiàn)代工業(yè)之肺”。煤化工項(xiàng)目中,空分裝置是必不可少的關(guān)鍵裝備?？諝夥蛛x(空分)過程中包含了流體流動(dòng)、過濾、傳熱、精餾、吸附、干燥等典型單元操作,包括動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞?？辗诌^程未涉及化學(xué)反應(yīng),屬于純物理過程,有利于學(xué)生直觀了解各種單元操作。空氣分離方法主要包括深冷精餾法、變壓吸附法和膜分離法等,對于大型空分來說一般采用深冷精餾法,即在液化空氣條件下,根據(jù)各組分揮發(fā)度的差異,使用精餾方法得到高純氮?dú)狻⒀鯕獾犬a(chǎn)品。

1 空分流程分析

深冷精餾空分工藝流程包含流體流動(dòng)、過濾、傳熱、吸收、精餾、吸附、干燥等典型單元操作,基本覆蓋了化工原理所有重要的單元操作?？諝庵械姆蹓m等固體顆粒需要去除,否則會(huì)對離心壓縮機(jī)的葉輪造成損害,也會(huì)堵塞填料及換熱器小孔,因此需要對空氣進(jìn)行過濾。為了滿足多級精餾的壓力差要求以及氣體流動(dòng)的推動(dòng)力,需要用空氣壓縮機(jī)加壓,一般選用離心式?？諝庵泻械乃衷诘蜏貐^(qū)會(huì)結(jié)冰,堵塞換熱器和精餾塔小孔。壓縮后高壓高溫空氣中水的分壓成倍增加,在空氣冷卻塔中與大量的水直接接觸降溫,并且可以吸收部分酸性氣體,析出的游離水在塔頂被除沫器分離。空氣從空氣預(yù)冷系統(tǒng)出來后,剩余的飽和水在空氣中進(jìn)入吸附器,被氧化鋁和分子篩吸附去除。此外,空氣中含有的CnHm進(jìn)入液氧中富集也會(huì)帶來安全隱患。CO2進(jìn)入低溫區(qū)同樣會(huì)凍結(jié),不僅堵塞設(shè)備小孔,還會(huì)形成晶核吸附CnHm,增加隱患發(fā)生的可能。這部分雜質(zhì)主要靠吸附器中的分子篩,利用雜質(zhì)極性的不同吸附去除。大部分壓縮空氣被冷卻到飽和氣相后直接從底部進(jìn)入空分下塔。下塔是提餾段,在塔底得到與空氣組分相對應(yīng)的富氧液空,在塔頂?shù)玫降牡獨(dú)膺M(jìn)入冷凝蒸發(fā)器中被冷凝為液氮。富氧液空和液氮都分別進(jìn)入上塔中部精餾,上塔頂部得到氮?dú)猱a(chǎn)品,上塔底部得到的液氧在冷凝蒸發(fā)器中被蒸發(fā)為氣態(tài),一部分作為氧氣產(chǎn)品,其余作為上塔的上升蒸氣。冷凝蒸發(fā)器采用多級精餾的原理,不需要額外設(shè)置再沸器和冷凝器。通過精餾得到的產(chǎn)品均為深冷狀態(tài),為了滿足使用要求,同時(shí)也為了回收冷量,用返流的產(chǎn)品與正流的壓縮空氣換熱。一般采用板翅式換熱器,通道接觸緊密,單位體積換熱面積大。操作環(huán)境是深冷狀態(tài),難免與環(huán)境換熱損失冷量;同時(shí)換熱器也不可能做到完全的冷量回收。因此,需要設(shè)置膨脹機(jī)制取冷量。膨脹空氣經(jīng)主換熱器部分冷卻后膨脹進(jìn)入精餾塔,膨脹得到的機(jī)械功用于其壓縮端壓縮膨脹空氣,提高膨脹比以獲取更大的制冷量。

將深冷精餾空分工藝流程涉及的單元操作進(jìn)行分類,如表1所示。

表1 空分過程涉及的單元操作及其使用設(shè)備

在化工原理課程相關(guān)單元操作授課過程中,引入工業(yè)上空分采用的設(shè)備,將其與書上一些經(jīng)典的單元操作設(shè)備作對比,這是由于教材中介紹的設(shè)備基本是比較經(jīng)典的,因此有些設(shè)備可能會(huì)落后于當(dāng)前企業(yè)中采用的先進(jìn)設(shè)備。教師在授課過程中需要與時(shí)俱進(jìn),不斷更新教學(xué)內(nèi)容,同時(shí)理論聯(lián)系實(shí)際,可以讓學(xué)生更好地掌握該門課程。

2 空分思政入課

在化工原理的教授過程中,力求滿足學(xué)生高質(zhì)量學(xué)習(xí)的要求,實(shí)現(xiàn)知識傳授與價(jià)值觀引領(lǐng)的同頻共振,引導(dǎo)學(xué)生把實(shí)現(xiàn)個(gè)人價(jià)值同黨和國家的命運(yùn)緊緊聯(lián)系在一起。空分思政的切入點(diǎn)也有很多,將與空分有關(guān)的思政元素引入授課過程中,潛移默化地滲透到知識點(diǎn)中,見表2。

3 空分精餾塔設(shè)計(jì)

精餾在實(shí)際生產(chǎn)中具有重要應(yīng)用,是化工原理中最重要的單元操作之一。在氣液傳質(zhì)設(shè)備章節(jié),按照空分的工業(yè)實(shí)際要求,給定原料空氣的組成、壓力、流量、進(jìn)料熱狀況、設(shè)計(jì)壓力、溫度及產(chǎn)品要求讓學(xué)生進(jìn)行填料精餾塔或板式精餾塔的設(shè)計(jì)。學(xué)生可以通過查詢資料,按化工原理課程的知識逐步進(jìn)行計(jì)算,也可以通過采用Aspen Plus軟件進(jìn)行計(jì)算?？辗志s塔下塔設(shè)計(jì)如下:進(jìn)料組成(體積分?jǐn)?shù)),氧氣(21%)、氮?dú)?79%)。分離要求,塔頂液氮11 500 Nm3/h;塔頂液氮含氧量≤10×10-6(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。進(jìn)料狀態(tài),塔底進(jìn)料,進(jìn)料壓力0.52 MPa,露點(diǎn)進(jìn)料。備注:操作壓力,0.5 MPa;塔,只有精餾段;填料,金屬孔波紋規(guī)整填料。

可以改變處理量、分離要求、進(jìn)料狀態(tài)、操作壓力進(jìn)行填料精餾塔或者板式精餾塔的設(shè)計(jì)。Aspen Plus是一個(gè)生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的化工流程模擬軟件。此處僅僅對壓縮、換熱和精餾系統(tǒng)進(jìn)行模擬。在化工原理課程設(shè)計(jì)中,學(xué)生通過塔設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)一步掌握了化工原理中精餾、傳熱、流體流動(dòng)的相關(guān)知識,提升了解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力,強(qiáng)化培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)及工程觀點(diǎn)。

4 結(jié)論

化工原理教學(xué)中引入空氣分離過程作為主線,貫穿于各種單元操作中,并引入教師在空分方面的發(fā)明專利,提高了學(xué)生對化工過程的理解能力及解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力。同時(shí)將與空分有關(guān)的思政元素引入授課過程中,培養(yǎng)了學(xué)生的愛國情懷、工程思想、工程倫理、安全意識和創(chuàng)新精神等。這一主線的采用有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性,也可以使學(xué)生更好地掌握化工原理課程的核心主干理念。