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【摘 要 】化工原理有关板式塔分析是教学的重点和学生学习的难点.掌握设计型或操作型分析无论是对课程内容还是对实际运用问题都具有重要意义,本文针对板式塔的设计和操作性分析教学难点,将与教学有关的各种要素有机地联系起来,总结出了一套符合学生认知特点的教学策略及教学实施方案.让学生对此类问题有一个清晰的认识,以达到强化教学内容,增强教学效果的目的.
【关 键 词 】化工原理 精馏塔 板分离能力
【中图分类号】TQ54 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）08-0228-02
在化工原理教学中,有关精馏塔板分析是液体精馏这一章的的重要内容之一, 也是难点之一.在教学工作中,深深地体会到学生们对精馏塔设计和操作性分析掌握存在较大的难度,以至于阻碍了学生对该章内容的掌握.这是由于精馏塔分析过程中,因为所涉及的影响因素的复杂性而导致了此类问题的多样化.目前有相关文献对其操作性分析进行了探讨[1-7],但迄今为止,还未见系统报道设计型和操作型分析的系统报道.教学工作中,如果一题一解就更容易使学生感到此类问题的繁杂,往往是解了这道题,不会解另一道题,不利于掌握精馏塔操作型讨论题的实质.本文针对精馏塔的设计和操作性分析教学难点,将与教学有关的各种要素有机地联系起来,系统总结出了一套符合学生认知特点的教学策略及教学实施方案.让学生对此类问题有一个清晰的认识,以达到强化教学内容,增强教学效果的目的.
1.两类命题方式的区别
在“精馏”章节的题库和习题集中,有关精馏塔设计和操作的常见题型精一般以讨论的形式出现.
（1）对精馏塔设计型命题通常为：“在精馏塔设计中,若保持进料组成和分离要求,即维持xF,xD,xW不变,改变P,F,α,R,q中的一个参数,讨论对其精馏塔板数的影响”.
（2）对精馏塔操作型命题通常为：“在精馏塔的操作中,若维持在设备（精馏段板数及全塔理论板数）已定条件下,改变操作参数中P,T,F,α,R,q,xF中任意一个,预计精馏操作的结果xD和xW变化趋势.
2.影响精馏塔板分析参数的讨论
理论板N的计算方法逐板法图解法捷算法 （10）
精馏塔板数分析涉及精馏段和提馏段的操作线方程,全塔物料衡算、相平衡方程等公式,另外还涉及到加料热状况和回流比选择等因素.公式多、计算麻烦,具有一定的难度；此外,影响参数较多,而教材对精塔的分析运用方面讲解较少,学生难以全面理解.
3.教学中心——板分离能力
这么多的参数如何在分析过程中灵活使用,这是一个教学难点,也是学生学习的一个难点.经过多年的教学总结,现总结出一条简单有效的教学方法,即将所有的影响因素最终归结为板分离能力这一个中心.可以让学生简单掌握分析精馏塔设计型和操作型讨论型问题.
在板式塔分析讨论中,通常是用梯级图解法来分析[8],即在相平衡线和两段操作线作梯级,见图2所示.在操作线和平衡线中的一个梯级代表着一块理论板的分离程度,纵向距离代表着汽相增浓程度,横向距离代表液相减浓程度.换句话说,一个梯级也就代表着一块理论的分离能力.围绕板分离能力这个中心,可以快速定性分析设计型和操作型的讨论题.板分离能力变差,对于设计型问题就代表着理论板数增加,而对于操作型问题则代表着分离效果变差,即精馏段的馏出液xD减小,提馏段的馏出液xW增加.反之,影响板分离能力是梯级的梯度,而梯级的梯度是受相平衡线和操作线的共同影响.当操作线偏向平衡线,说明梯度减小,板分离能力变差；当操作线偏离平衡线,梯度增加,板分离能力变强.影响相平衡线的主要影响是压力和温度,温度升高,压力降低,可使平衡线偏离操作线,导致板分离能力增强,即分离效果增加.而影响操作线的影响就较多,可以见图1所示,这时一般要将精馏段和提馏段分开来讨论.
4.教学实例
5.小结
抓住精馏板式塔分析的核心,即板分离能力的好坏,能快速分析设计型和操作型题,将理论塔板数所涉及的知识点形
图4 板式塔分析网络图
成网络状,以生动准确的形式来展示,如图4所示,能够对所涉及的参数进入归纳和关联,根据实际要求来对一个精馏塔来进行设计型和操作型分析,以此培养学生的“举一反三”,“触类旁通”创造性思维.
符号说明
F - 进料量；D -塔顶产品量；W —塔底产物量；xF-进料组成；xD-塔顶产品组成；xW-塔底产物组成；N -理论板数；L-精馏段下降液体量；V-精馏段上升蒸气量；L′—提馏段下降液体量；V′-提馏段上升蒸气量；q- 进料状态参数；r-回流比；↑—— 增加；↓——下降.