化工原理的哲學(xué)

化工原理的哲學(xué)

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(guò)程中單件操作的基本原理、特點(diǎn)和典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作性能和計(jì)算。哲學(xué)是關(guān)于社會(huì)、人類思維、自然界共同的、普遍的原則和規(guī)律,是社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)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(wèn)題的方法論,也是人類打開(kāi)智慧寶庫(kù)、揭示自然奧秘的金鑰匙。因此,化工原理與哲學(xué)之間必然存在著內(nèi)在的聯(lián)系,蘊(yùn)含十分豐富的哲學(xué)素材。多年來(lái),筆者通過(guò)對(duì)化工原理的教學(xué)認(rèn)識(shí)到,運(yùn)用辯證唯物主義的哲學(xué)觀點(diǎn)、思想指導(dǎo)化工原理的教學(xué),將科學(xué)和哲學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),不僅有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、掌握,而且還能促使整體思維的發(fā)展,促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí),用科學(xué)的世界觀和方法論去分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。一、流變方程的相對(duì)獨(dú)立是“三傳”的絕對(duì)性辯證唯物主義認(rèn)為,運(yùn)動(dòng)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(duì)的、永恒的,物質(zhì)世界是按照其本身固有的規(guī)律運(yùn)動(dòng)、變化、發(fā)展?；ぴ硪詥卧僮鳛檠芯繉?duì)象,內(nèi)容多、基礎(chǔ)深、覆蓋面廣。表面上看起來(lái)各章的內(nèi)容似乎相對(duì)獨(dú)立,相互之間的聯(lián)系不大,其實(shí)不然。雖然各單元操作過(guò)程不同,所完成的化工生產(chǎn)任務(wù)也不同,但實(shí)際上都是在進(jìn)行“動(dòng)量傳遞”“熱量傳遞”“質(zhì)量傳遞”,“三傳”本質(zhì)上反映了運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性。例如,當(dāng)溫度不同的兩個(gè)物體相互接觸時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)后,兩個(gè)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(shí)際上傳熱依然在進(jìn)行,只不過(guò)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(dòng)過(guò)程中機(jī)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(xué)方程式。這些都說(shuō)明了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的,而靜止是相對(duì)的,靜止是運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式。二、流體速度、間壁式傳熱過(guò)程雖然物質(zhì)運(yùn)動(dòng)永不停止,但其運(yùn)動(dòng)有規(guī)律。當(dāng)流體在圓形直管中流動(dòng)時(shí),如果雷諾準(zhǔn)數(shù)小于等于2000,則流體的流動(dòng)形態(tài)為層流,流體作一層滑過(guò)一層的流動(dòng),層與層之間的流體質(zhì)點(diǎn)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(dòng)能校正系數(shù)為2。如果雷諾準(zhǔn)數(shù)大于等于4000,則流體的流動(dòng)形態(tài)為湍流,流體質(zhì)點(diǎn)在縱向有脈動(dòng),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(dòng)能校正系數(shù)為1。間壁式傳熱過(guò)程包括3步:(1)熱量由熱流體以對(duì)流的形式傳向高溫面;(2)熱量由高溫面以傳導(dǎo)的形式傳向低溫面;(3)熱量由低溫面以對(duì)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(kuò)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(kuò)散。它們的速率都是與推動(dòng)力成正比,與阻力成反比,而且總推動(dòng)力等于各分推動(dòng)力之和,總阻力等于各分阻力之和,推動(dòng)力越大,對(duì)應(yīng)的阻力也越大。三、流體通過(guò)流體的流速和氣速過(guò)大時(shí)顆粒的流動(dòng)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(chǎng)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(zhǔn)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(kāi)始,只有量變超過(guò)了一定的范圍和限度才會(huì)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(guò)顆粒層床的流動(dòng)便是一例。當(dāng)流體通過(guò)床層的表觀流速較小時(shí),顆?？障吨械牧黧w的實(shí)際流速小于顆粒的沉降速度,顆粒是靜止不動(dòng)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(dāng)流體通過(guò)顆?？障兜膶?shí)際流速等于顆粒的沉降速度時(shí),床層不再膨脹,顆粒懸浮在流體中,此時(shí)的顆粒層為固定床。如果流體的流速繼續(xù)增大,當(dāng)流體通過(guò)床層的表觀速度超過(guò)顆粒的沉降速度時(shí),顆粒便獲得上升的速度,此時(shí)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(shí),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(dāng)在低速范圍內(nèi)增大氣速時(shí),氣體向上流動(dòng)對(duì)液體沿填料表面向下流動(dòng)的阻力很小,氣體通過(guò)單位填料層高度壓降對(duì)數(shù)與氣速的對(duì)數(shù)呈直線關(guān)系;當(dāng)氣速再增時(shí),氣流開(kāi)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(dāng)氣速繼續(xù)增大到一定程度時(shí),填料層中積聚的掛液量,已足以使液體充滿整個(gè)填料層的自由空間,指使壓降急劇上升,這時(shí),液體開(kāi)始由分散相轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)相,氣體開(kāi)始由連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑾?使直線幾乎與橫坐標(biāo)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(fèi)用,操作費(fèi)用對(duì)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(shí)質(zhì)和核心。任何事物都是矛盾的對(duì)立統(tǒng)一體,矛盾是世界聯(lián)系和發(fā)展的源泉。在整個(gè)化工原理的教學(xué)過(guò)程中對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律隨處可見(jiàn)。吸收和解吸是一對(duì)矛盾,在某一條件下,操作點(diǎn)落在平衡線以上,此時(shí)該點(diǎn)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(dòng),原操作點(diǎn)位于平衡線下方,此時(shí)該點(diǎn)就轉(zhuǎn)化成解收。在管路的設(shè)計(jì)型計(jì)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(fèi)用越小,而操作費(fèi)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(fèi)用越大,操作費(fèi)用越小。顯然,投資費(fèi)用和操作費(fèi)用也是一對(duì)矛盾,它們之間既互相制約又互相聯(lián)系,要降低操作費(fèi)用,投資費(fèi)用必然增大,反之亦然。因此,必須尋找一個(gè)平衡點(diǎn),選擇一個(gè)適宜的流速,使生產(chǎn)費(fèi)用最低。五、通過(guò)小通道的流動(dòng)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(xué)認(rèn)識(shí)的任務(wù)就是要通過(guò)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(guò)的細(xì)小通道,這些通道是曲折而且互相交聯(lián)的。同時(shí),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(guò)如此復(fù)雜的通道時(shí),壓降自然很難進(jìn)行計(jì)算。但是,通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明,固體顆粒較小時(shí),流體在顆粒內(nèi)的流動(dòng)是極其緩慢的爬流,無(wú)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(méi)有關(guān)系?；趯?duì)流體過(guò)程的這一本質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí),將流體通過(guò)真實(shí)的、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通道的流動(dòng)簡(jiǎn)化成流體通過(guò)一組平行的毛細(xì)管的流動(dòng),即流體通過(guò)圓直管的流動(dòng),使顆粒層內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)過(guò)程大幅簡(jiǎn)化。實(shí)驗(yàn)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(méi)有主要矛盾,就無(wú)所謂次要矛盾,反過(guò)來(lái)也是一樣。從錯(cuò)綜復(fù)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(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力,因此,理想流體在流動(dòng)時(shí)機(jī)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(kāi)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(yùn)動(dòng)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(yùn)含的普遍規(guī)律,然后再探尋實(shí)際與理想的偏差,最后針對(duì)偏差進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?實(shí)際問(wèn)題也就迎刃而解?；ぴ碚n程中包含著十分豐富的哲學(xué)思想,在化工