科研成果向《化工原理》課程內(nèi)容的二次轉(zhuǎn)化

1、科研成果向化工原理課程內(nèi)容的二次轉(zhuǎn)化發(fā)布時間：2009年1月10日 9時36分曹睿，劉艷升，盧春喜（中國石油大學（北京）化學科學與工程學院，北京 102249） 摘 要：為了發(fā)揮石油院校的行業(yè)特色，結合本校在精餾技術及設備、流態(tài)化工程及裝備等方面的科研成果，對化工原理課程內(nèi)容進行了更新，對豐富教材內(nèi)容、激發(fā)學生的求知欲、培養(yǎng)師資隊伍等方面起到了積極作用。 關鍵詞：化工原理；科研成果；課程內(nèi)容；二次轉(zhuǎn)化 化工原理課程是一門與生產(chǎn)緊密結合的工程實用技術，它來源于化工類型的生產(chǎn)實踐，而又高于生產(chǎn)實踐，通過科學的概括與抽象，形成若干通用的工程技術規(guī)律和方法，又可以指導生產(chǎn)實踐，對工業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮著重要的作

2、用。從這個意義上說，化工原理教學與相關的生產(chǎn)實踐是相互促進，彼此完善的。但是從長期的教學實踐中發(fā)現(xiàn)，課堂教學采用的教材內(nèi)容往往滯后于生產(chǎn)實際，尤其滯后于科研實際1。為了在教學中突破教材的局限，使學生獲得更廣博、更先進的知識、培養(yǎng)創(chuàng)新性思維，應該注重科研成果向教學資源的二次轉(zhuǎn)化，使科研成果與教學之間形成一種良性循環(huán)。 本校作為具有行業(yè)特色的石油院校，從上世紀五六十年代以來，形成了良好的科研傳統(tǒng)并延續(xù)至今，對化工領域中的精餾分離技術與設備、精餾系統(tǒng)故障診斷、分離系統(tǒng)的工藝優(yōu)化與節(jié)能、催化裂化流態(tài)化工程及裝備、連續(xù)重整再生工藝及工程的研究與開發(fā)都形成了較先進和成熟的工業(yè)技術，獲得了國家和省部級的多項

3、獎勵，形成了多項專利和專有技術以及論文成果等，在國際和國內(nèi)處于領先地位，為企業(yè)創(chuàng)造了數(shù)億元的經(jīng)濟效益，建立了將科學技術快速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的成功模式。同時，上述技術也是化工原理課程中傳遞和分離技術的重要知識模塊，強有力的技術支撐對教學工作也是一個極大的促進，成熟的科研成果與本科教學相互溝通，甚至包括學科交叉和相近學科的移植，一方面使教師保持了在本學科領域的領先地位，活躍的研究思維可以打破固定模式下的教學內(nèi)容體系，有助于提高教學質(zhì)量，真正體現(xiàn)出行業(yè)院校的專業(yè)特色，另一方面也開闊了學生的眼界，必然能激發(fā)學生的興趣，從而取得滿意的教學效果。 因此下面結合上述主要技術成果，對教學內(nèi)容進行了豐富和發(fā)展。1.

4、全塔負荷性能圖分析技術及可行操作域的理解 在教材第十二章氣液傳質(zhì)設備中，將原有的單層塔板的負荷性能圖分析技術拓展增加了板式塔的單指標和全指標負荷性能圖分析技術內(nèi)容26。 塔板負荷性能圖分析方法把適宜操作范圍與工藝條件有機結合，可以簡單、直觀地判斷塔板的操作性能，是我國塔設備設計和操作分析的主流方法，廣泛應用了40多年7。通過負荷性能圖技術可以實現(xiàn)對塔板的控制因素分析，了解設計裕度以及塔板對工藝和結構條件的適應性，是設備與工藝一體化研究結果，對塔設備設計、改造和操作具有重要的指導意義。 過去受計算和流程模擬水平限制，只能對單板逐一進行負荷性能圖分析，反映塔內(nèi)某一塊板的操作狀況，對全塔整體操作狀況

5、的了解很不直觀。因此，在此基礎上開發(fā)了全塔負荷性能圖分析技術，為了方便整個塔設備的瓶頸分析和方案對比，將塔內(nèi)全部塔板的負荷性能集中表現(xiàn)在一張圖紙上，既可以針對單一塔板水力學指標（單指標），也可以針對不同操作限（全指標）進行分析；既可以用于板式塔，也適用于填料塔，是一種十分簡便實用的方法。1.1單指標全塔負荷性能圖的構成 單指標全塔負荷性能圖以塔板號（或理論板號）為橫坐標，以塔板或降液管的某一性能指標為縱坐標，將該指標的限制條件及各板相應的操作數(shù)據(jù)標繪在同一幅圖中，即為這一指標相應的全塔負荷性能圖。板式塔需要分別考察塔板和降液管的限制。降液管需要控制的技術指標包括：降液管液泛、降液管入口液速和出

6、口液速，降液管停留時間。塔板的操作限制根據(jù)流體力學極限和適宜傳質(zhì)限制， 圖1 霧沫夾帶的全塔負荷性能圖(略) 包括噴射液泛、霧沫夾帶、泄漏、液噻點和最小液量限制。圖1是對霧沫夾帶指標繪制的全塔負荷性能圖示例。 采用單一指標的全塔負荷性能圖分析技術，對全塔操作限制的分析僅需繪制67幅就可以了。此方法可以直接對塔設備工藝模擬結果的適應性進行分析，容易找到全塔瓶頸，并提出相應的結構參數(shù)修改策略，圖形繪制靈活、簡便，在方案研究和初步設計階段尤為適用。1.2全指標全塔負荷性能圖的構成 全塔負荷性能圖也是以塔板號（或理論板號）為橫坐標，利用塔板負荷性能圖的有效操作控制范圍（即操作線、操作點、上/下限構成的

7、操作范圍）是一條直線的特性，通過坐標變換，將全部塔板的操作線繪于一張圖中，操作線上各點的含義與塔板負荷性能圖完全相同。 圖2. 狹義的全塔負荷性能圖(圖略) 圖3. 廣義的全塔負荷性能圖(圖略) 按照操作限制的不同，全塔負荷性能圖包括狹義和廣義兩種形式（見圖2和圖3）。前者僅涉及塔設備的傳質(zhì)限制，而后者涉及全部流體力學極限和傳質(zhì)限制。在狹義全塔負荷性能圖中，將所有塔板的傳質(zhì)控制上、下限用折線連接。而在廣義性能圖中，將所有塔板的流體力學操作上、下限分別用虛折線連接、傳質(zhì)限制用實折線連接，籍此構成全塔負荷性能圖。 廣義的全塔負荷性能圖反映的影響因素最全面，不僅可以進行適宜操作區(qū)分析，也可以進行全面

8、的超限制分析，但上、下限控制點較多，對于汽液負荷變化較大、塔板數(shù)較多的分析視覺效果較差；而狹義的全塔負荷性能圖構成的圖形較為清晰，更適用于施工圖階段新塔設計結果的檢驗和對比不同的設計方案。與單指標全塔負荷性能圖相比，全指標圖形可以更清楚地反映出全塔的操作瓶頸，適合于不同類型塔內(nèi)件的優(yōu)化匹配和設計，也更易于編程。 該技術在化工原理課程設計實踐環(huán)節(jié)以及畢業(yè)設計中逐步應用，并取得了良好教學效果。2.塔設備的放大效應2.1 傳統(tǒng)理論對放大效應的解釋 塔設備的放大效應指的是塔規(guī)模擴大以后水力學性能和傳質(zhì)性能惡化、無法正常操作的現(xiàn)象。傳統(tǒng)理論認為放大效應主要是由于塔板上液體流動過程中產(chǎn)生的液面落差所造成的

9、7，塔板上的液體因受塔壁、塔板、鼓泡元件及通過鼓泡元件的氣體流動阻礙作用，在塔板上形成由高到低的液面分布，由此也造成了氣體分布的不均，氣液接觸不良，在塔板入口液層較厚，氣體分布較少，容易發(fā)生泄漏，而出口液層較薄，氣體分布較多，容易發(fā)生霧沫夾帶，使得塔板的水力學性能和傳質(zhì)性能降低。塔徑越大，液體流道越長，液面落差越大，放大效應越嚴重。2.2 小塔試驗現(xiàn)象與大塔試驗現(xiàn)象的對比 傳統(tǒng)理論在較小規(guī)模的塔設備（1520325mm2）試驗8中得到了驗證，但在超大型規(guī)模的塔設備（6400800mm2）試驗9中，得到的結果有顯著差異。 在1520325mm2裝置內(nèi)，板上液層波動很小，可以清晰地觀察到液面梯度的

10、變化，隨著氣速的增加，在低氣速下入口易發(fā)生泄漏，氣速增高后出口先發(fā)生霧沫夾帶，泄漏停止以后才會出現(xiàn)霧沫夾帶，而且泄漏和霧沫夾帶分布比較有規(guī)律。試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定、重復性好。 但在6400800mm2超大型裝置內(nèi)，塔板上從入口到出口之間液層波動明顯，隨機性增強，試驗中觀察不到塔板上液面梯度的清晰變化，塔板上存在著嚴重的持液分布不均勻現(xiàn)象，液層呈現(xiàn)出波浪式分布，造成了霧沫夾帶和泄漏嚴重的不均勻分布；塔板泄漏量的數(shù)量級猛增，浮閥閥重對泄漏的影響減弱；塔板發(fā)生泄漏的同時可以出現(xiàn)霧沫夾帶；霧沫夾帶量的數(shù)量級也增加。試驗數(shù)據(jù)的規(guī)律性、重復性極差。2.3 放大效應產(chǎn)生的機理 大塔表現(xiàn)出的泄漏量、霧沫夾帶量猛增，泄

11、漏點滯后、霧沫夾帶點提前、泄漏和霧沫夾帶交疊出現(xiàn)的特點是傳統(tǒng)的液面落差理論所不能很好解釋的。因此，根據(jù)試驗結果，產(chǎn)生放大效應的機理可以理解為是由于塔板上的巨大持液慣性和氣液流道數(shù)增加兩者共同作用所造成的，塔板上從入口到出口的液層分布不是均勻降低，而是隨機性很強的波動，并且從入口向出口傳遞，傳遞方式隨氣液接觸狀態(tài)而異，強烈的波動性使得大塔的放大效應較小型塔設備異常顯著。氣速不是很高時，沿著液流方向上出現(xiàn)持液不均勻分布，導致氣相也分布不均，使得閥孔處的氣液接觸行為表現(xiàn)出隨機、交替的“死孔”（無氣體通過）和“活孔”（有氣體通過），液層波動伴隨著巨大的沖擊泄漏，使得塔板的泄漏量猛增，即在塔板的入口區(qū)域

12、，由于塔板上持液量的巨大波動性對浮閥造成嚴重的沖擊作用，使得浮閥不能夠完全開啟，全開點幾乎消失，浮閥處于關閉和時開時閉狀態(tài)均處于沖擊泄漏的操作狀態(tài)之中，進而使得塔板浮閥泄漏點大大滯后。在塔板的出口區(qū)域，大量氣體通過，操作呈現(xiàn)出劇烈混合泡沫甚至噴濺狀態(tài)，霧沫夾帶點提前，霧沫夾帶量與小塔操作相比激增，而且泄漏和霧沫夾帶重疊出現(xiàn)，導致了放大效應的產(chǎn)生。此外，低氣速下大型塔設備極易發(fā)生共振現(xiàn)象，這是小塔上不易發(fā)生的，在教材的氣液傳質(zhì)設備中從未提到過7。 隨著現(xiàn)今煉油和化工工業(yè)規(guī)模的擴大，煉油廠新建和擴建的裝置規(guī)模基本上都在1000萬噸/年以上，乙烯生產(chǎn)能力在100萬噸/年以上，十米以上直徑的塔以后會普

13、遍應用，所以教學內(nèi)容應該補充放大效應的概念，幫助學生建立工程概念。3.氣固分離技術和流態(tài)化技術的科技成果化 石油化工過程多數(shù)涉及非均相的催化過程，所用催化劑大多需要采用貴金屬作為活性組分，因此催化劑都比較昂貴，為了保證過程的穩(wěn)定運行和環(huán)保要求，需要采用高效的氣固分離技術，實現(xiàn)對催化劑的高效回收。對于氣固非均相催化過程，采用流態(tài)化技術不僅能提高反應的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品收率、極大地改善過程的傳質(zhì)傳熱性能，同時可實現(xiàn)過程的連續(xù)化生產(chǎn)。流態(tài)化技術和氣固分離技術在石油化工領域的應用越來越廣泛，需要在化工原理的教學內(nèi)容中補充最新研究成果。 以流化催化裂化過程為例，催化裂化裝置是煉油過程的主體工業(yè)裝置，承擔著我國

14、75%以上的汽油和35%以上柴油的生產(chǎn)任務，該裝置的遠行水平直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。該裝置也是煉油裝置中操作最復雜的裝置，幾乎涵蓋了細顆粒氣固流態(tài)化的全過程，涉及到鼓泡流態(tài)化、湍流流態(tài)化、快速流態(tài)化和氣力輸送的全過程。為了培養(yǎng)學生對過程集成的思維模式，在課程內(nèi)容的設計上以催化裂化裝置的實際過程為主線，把氣固分離單元和流態(tài)化單元有機結合，同時以系統(tǒng)壓力平衡計算作為兩個單元過程的結合點，使學生在掌握各單元基本原理、基本計算方法的基礎上，可以在多個單元過程的耦合調(diào)控規(guī)律方面得到一定提高，初步樹立起過程集成的理念。在此基礎上還結合本校多年來在氣固分離技術和氣固流態(tài)化技術取得的多項科研成果10-11，自

15、行設計研制了針對流化催化裂化過程的綜合創(chuàng)新性實驗裝置-BSGK-1型流化床過程控制綜合實驗系統(tǒng)供學生進行綜合性試驗使用。該裝置綜合了氣固流態(tài)化、氣固分離、流體輸送機械及流體控制測量儀器的多個單元過程，對培養(yǎng)學生的集成創(chuàng)新能力發(fā)揮了重要作用。培養(yǎng)的學生有多人次獲首都大學生挑戰(zhàn)杯創(chuàng)新獎。 綜上所述，這些重要科研成果是對教學內(nèi)容的有益補充，特別是結合了行業(yè)院?？蒲屑夹g的鮮明特點，通過在本科教學中的嘗試，取得了良好效果，對豐富和更新教材內(nèi)容、指導學生的課程設計、畢業(yè)設計、科技創(chuàng)新活動起到了積極作用。此外，參與科研對培養(yǎng)師資隊伍也很有幫助，使青年教師得到了全方位的鍛煉和提高。教師參與科研，才能讓學生了解

16、學科的發(fā)展動向，激發(fā)學生的求知欲和理解力，比照本宣科有益得多。因此，科技成果轉(zhuǎn)化對化工原理教學具有積極的促進作用。參考文獻1 傅水根. 充分發(fā)揮科研成果在本科教學中的作用J. 中國大學教學, 2007; (4): 4-5.2 劉艷升. 板式塔的操作分析(1)關于精餾塔操作限制的新認識J. 煉油技術與工程, 2004; 34(7):29-34.3 劉艷升, 許光. 板式塔的操作分析(2)單指標全塔負荷性能圖分析新方法J. 煉油技術與工程, 2004; 34(8):33-37.4 劉艷升. 板式塔負荷性能圖方法的若干拓展J. 化工學報, 2005; 56(6): 1150-1155.5 劉艷升,

17、沈復. 全指標精餾塔全塔負荷性能圖分析新方法J.化學工程, 2004; 32(12): 1-5.6 秦緒香, 劉艷升. 全塔負荷性能圖及應用J. 煉油設計, 1999; 29(4): 40-42.7 沈復, 李陽初主編. 石油加工單元過程原理M. 北京: 中國石化出版社, 1996: 241-260.8 楊介德. F-1型浮閥塔板泄漏分布規(guī)律及其對效率影響的探討D. 山東東營: 華東石油學院, 1985: 19-52.9 柯增鵬. 超大型浮閥塔板放大效應的研究D.北京：中國石油大學（北京）, 2008:30-52.10 盧春喜，時銘顯. 國產(chǎn)新型催化裂化提升管出口快分系統(tǒng)J. 石化技術與應用, 2