化工原理的哲學

化工原理的哲學

化工原理是一門重要的工程基礎(chǔ)課程，主要介紹了化工生產(chǎn)過程中單件操作的基本原理、特點和典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作性能和計算。哲學是關(guān)于社會、人類思維、自然界共同的、普遍的原則和規(guī)律,是社會科學和自然科學的概括和總結(jié),是理論化、系統(tǒng)化的世界觀,又是觀察、分析和解決各類問題的方法論,也是人類打開智慧寶庫、揭示自然奧秘的金鑰匙。因此,化工原理與哲學之間必然存在著內(nèi)在的聯(lián)系,蘊含十分豐富的哲學素材。多年來,筆者通過對化工原理的教學認識到,運用辯證唯物主義的哲學觀點、思想指導化工原理的教學,將科學和哲學有機地結(jié)合起來,不僅有利于學生對知識的理解、掌握,而且還能促使整體思維的發(fā)展,促進學生自主學習,用科學的世界觀和方法論去分析問題、解決問題。一、流變方程的相對獨立是“三傳”的絕對性辯證唯物主義認為,運動是物質(zhì)的根本屬性,是物質(zhì)的存在形式。物質(zhì)的變化是絕對的、永恒的,物質(zhì)世界是按照其本身固有的規(guī)律運動、變化、發(fā)展?；ぴ硪詥卧僮鳛檠芯繉ο?內(nèi)容多、基礎(chǔ)深、覆蓋面廣。表面上看起來各章的內(nèi)容似乎相對獨立,相互之間的聯(lián)系不大,其實不然。雖然各單元操作過程不同,所完成的化工生產(chǎn)任務也不同,但實際上都是在進行“動量傳遞”“熱量傳遞”“質(zhì)量傳遞”,“三傳”本質(zhì)上反映了運動的絕對性。例如,當溫度不同的兩個物體相互接觸時間無限長后,兩個物體的溫度相等,凈的傳熱速率為零,表面上看傳熱處于靜止、平衡狀態(tài),但實際上傳熱依然在進行,只不過是熱物體的放熱速率正好等于冷物體的吸熱速率。理想流體在流動過程中機械能守恒,即滿足伯努利方程。如果令伯努利方程中的流速為零,則伯努利方程蛻化成流體靜力學方程式。這些都說明了物質(zhì)運動是絕對的,而靜止是相對的,靜止是運動的一種特殊形式。二、流體速度、間壁式傳熱過程雖然物質(zhì)運動永不停止,但其運動有規(guī)律。當流體在圓形直管中流動時,如果雷諾準數(shù)小于等于2000,則流體的流動形態(tài)為層流,流體作一層滑過一層的流動,層與層之間的流體質(zhì)點之間不互相混合,圓管內(nèi)任一截面上的速度分布為拋物線,平均速度是最大速度的一半,動能校正系數(shù)為2。如果雷諾準數(shù)大于等于4000,則流體的流動形態(tài)為湍流,流體質(zhì)點在縱向有脈動,混合劇烈,圓管內(nèi)任一截面上的速度分布為指數(shù)函數(shù),平均速度是最大速度的0.83左右,動能校正系數(shù)為1。間壁式傳熱過程包括3步:(1)熱量由熱流體以對流的形式傳向高溫面;(2)熱量由高溫面以傳導的形式傳向低溫面;(3)熱量由低溫面以對流的形式傳向冷流體。氣體吸收也包括3步:(1)溶質(zhì)組分由氣相主體向氣液相界面擴散;(2)溶質(zhì)組分在相界面上的溶解;(3)溶質(zhì)組分由相界面向液相主體擴散。它們的速率都是與推動力成正比,與阻力成反比,而且總推動力等于各分推動力之和,總阻力等于各分阻力之和,推動力越大,對應的阻力也越大。三、流體通過流體的流速和氣速過大時顆粒的流動及其分離在自然界中,質(zhì)量互變普遍存在。量變是指事物場所的變更或數(shù)量的增減,質(zhì)變是事物本性的改變。量變是質(zhì)變的必要準備及前提,質(zhì)變是量變的必然結(jié)果。世界上任何事物的變化都從量變開始,只有量變超過了一定的范圍和限度才會發(fā)生質(zhì)變?；ぴ碇杏嘘P(guān)量變到質(zhì)變的例子很多。流體由下而上通過顆粒層床的流動便是一例。當流體通過床層的表觀流速較小時,顆?？障吨械牧黧w的實際流速小于顆粒的沉降速度,顆粒是靜止不動的,顆粒層為固定床。如果流體的流速不斷增大,床內(nèi)顆粒將“浮起”,顆粒層將“膨脹”,當流體通過顆?？障兜膶嶋H流速等于顆粒的沉降速度時,床層不再膨脹,顆粒懸浮在流體中,此時的顆粒層為固定床。如果流體的流速繼續(xù)增大,當流體通過床層的表觀速度超過顆粒的沉降速度時,顆粒便獲得上升的速度,此時顆粒將被帶出塔外,這是顆粒的流體輸送了。在填料塔正常操作時,液體是分散相,氣體是連續(xù)相。保持一定的液體噴淋密度,當在低速范圍內(nèi)增大氣速時,氣體向上流動對液體沿填料表面向下流動的阻力很小,氣體通過單位填料層高度壓降對數(shù)與氣速的對數(shù)呈直線關(guān)系;當氣速再增時,氣流開始阻攔液體下流,使填料上的掛液量增加,從而使直線的斜率增大;當氣速繼續(xù)增大到一定程度時,填料層中積聚的掛液量,已足以使液體充滿整個填料層的自由空間,指使壓降急劇上升,這時,液體開始由分散相轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)相,氣體開始由連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑾?使直線幾乎與橫坐標垂直,發(fā)生液泛,塔的正常操作被破壞。這些都是從量變到質(zhì)變的具體形式。四、體系的完善:投資費用,操作費用對立統(tǒng)一是唯物辯證法最根本的規(guī)律,是唯物辯證法的實質(zhì)和核心。任何事物都是矛盾的對立統(tǒng)一體,矛盾是世界聯(lián)系和發(fā)展的源泉。在整個化工原理的教學過程中對立統(tǒng)一規(guī)律隨處可見。吸收和解吸是一對矛盾,在某一條件下,操作點落在平衡線以上,此時該點表示吸收;如果其他條件不變,體系的溫度升高,則平衡線向上移動,原操作點位于平衡線下方,此時該點就轉(zhuǎn)化成解收。在管路的設(shè)計型計算中,如果流體的輸送能力一定,那么,流體的速度選擇越大,則管子的管徑越小,即投資費用越小,而操作費用越大;相反,流體的速度選擇越小,則管子的管徑越大,即投資費用越大,操作費用越小。顯然,投資費用和操作費用也是一對矛盾,它們之間既互相制約又互相聯(lián)系,要降低操作費用,投資費用必然增大,反之亦然。因此,必須尋找一個平衡點,選擇一個適宜的流速,使生產(chǎn)費用最低。五、通過小通道的流動現(xiàn)象是事物本質(zhì)的外部表現(xiàn),是事物的表面特征及外部聯(lián)系,本質(zhì)則是事物內(nèi)在聯(lián)系的根本性質(zhì),是事物現(xiàn)象的內(nèi)部根據(jù),科學認識的任務就是要通過現(xiàn)象抓住本質(zhì)。固定床中顆粒間的空隙形成了許多可供流體通過的細小通道,這些通道是曲折而且互相交聯(lián)的。同時,這些通道的面大小和形狀又很不規(guī)則。表面上看,流體通過如此復雜的通道時,壓降自然很難進行計算。但是,通過大量實驗證明,固體顆粒較小時,流體在顆粒內(nèi)的流動是極其緩慢的爬流,無邊界層脫體現(xiàn)象發(fā)生。這樣,流體阻力主要由顆粒層內(nèi)固體表面積的大小決定,而與顆粒的形狀幾乎沒有關(guān)系。基于對流體過程的這一本質(zhì)規(guī)律的認識,將流體通過真實的、復雜的網(wǎng)絡通道的流動簡化成流體通過一組平行的毛細管的流動,即流體通過圓直管的流動,使顆粒層內(nèi)的實際流動過程大幅簡化。實驗證明其結(jié)果也正確。六、理論模型、假定矛盾發(fā)展的不平衡性存在主次矛盾之分,主要矛盾與次要矛盾之間互相依存,沒有主要矛盾,就無所謂次要矛盾,反過來也是一樣。從錯綜復雜的矛盾系統(tǒng)中把握主要矛盾是十分重要的。如化工原理中的“理想流體”模型,忽略了流體流動時的內(nèi)摩擦力,因此,理想流體在流動時機械能守恒,即滿足伯努利方程。還有像“理論板假定”,假設(shè)離開某一塔板的氣、液兩相處于平衡狀態(tài)。這些模型、假定巧妙地排除次要矛盾的干擾,突出顯現(xiàn)事物的主要矛盾,揭示事物運動的本質(zhì)。有了這些模型、假定,就可以集中主要精力研究其中所蘊含的普遍規(guī)律,然后再探尋實際與理想的偏差,最后針對偏差進行適當?shù)男拚?實際問題也就迎刃而解?；ぴ碚n程中包含著十分豐富的哲學思想,在化工