化工原理的哲学

化工原理的哲学

化工原理是一门重要的工程基础课程，主要介绍了化工生产过程中单件操作的基本原理、特点和典型设备的结构、操作性能和计算。哲学是关于社会、人类思维、自然界共同的、普遍的原则和规律,是社会科学和自然科学的概括和总结,是理论化、系统化的世界观,又是观察、分析和解决各类问题的方法论,也是人类打开智慧宝库、揭示自然奥秘的金钥匙。因此,化工原理与哲学之间必然存在着内在的联系,蕴含十分丰富的哲学素材。多年来,笔者通过对化工原理的教学认识到,运用辩证唯物主义的哲学观点、思想指导化工原理的教学,将科学和哲学有机地结合起来,不仅有利于学生对知识的理解、掌握,而且还能促使整体思维的发展,促进学生自主学习,用科学的世界观和方法论去分析问题、解决问题。一、流变方程的相对独立是“三传”的绝对性辩证唯物主义认为,运动是物质的根本属性,是物质的存在形式。物质的变化是绝对的、永恒的,物质世界是按照其本身固有的规律运动、变化、发展。化工原理以单元操作为研究对象,内容多、基础深、覆盖面广。表面上看起来各章的内容似乎相对独立,相互之间的联系不大,其实不然。虽然各单元操作过程不同,所完成的化工生产任务也不同,但实际上都是在进行“动量传递”“热量传递”“质量传递”,“三传”本质上反映了运动的绝对性。例如,当温度不同的两个物体相互接触时间无限长后,两个物体的温度相等,净的传热速率为零,表面上看传热处于静止、平衡状态,但实际上传热依然在进行,只不过是热物体的放热速率正好等于冷物体的吸热速率。理想流体在流动过程中机械能守恒,即满足伯努利方程。如果令伯努利方程中的流速为零,则伯努利方程蜕化成流体静力学方程式。这些都说明了物质运动是绝对的,而静止是相对的,静止是运动的一种特殊形式。二、流体速度、间壁式传热过程虽然物质运动永不停止,但其运动有规律。当流体在圆形直管中流动时,如果雷诺准数小于等于2000,则流体的流动形态为层流,流体作一层滑过一层的流动,层与层之间的流体质点之间不互相混合,圆管内任一截面上的速度分布为抛物线,平均速度是最大速度的一半,动能校正系数为2。如果雷诺准数大于等于4000,则流体的流动形态为湍流,流体质点在纵向有脉动,混合剧烈,圆管内任一截面上的速度分布为指数函数,平均速度是最大速度的0.83左右,动能校正系数为1。间壁式传热过程包括3步:(1)热量由热流体以对流的形式传向高温面;(2)热量由高温面以传导的形式传向低温面;(3)热量由低温面以对流的形式传向冷流体。气体吸收也包括3步:(1)溶质组分由气相主体向气液相界面扩散;(2)溶质组分在相界面上的溶解;(3)溶质组分由相界面向液相主体扩散。它们的速率都是与推动力成正比,与阻力成反比,而且总推动力等于各分推动力之和,总阻力等于各分阻力之和,推动力越大,对应的阻力也越大。三、流体通过流体的流速和气速过大时颗粒的流动及其分离在自然界中,质量互变普遍存在。量变是指事物场所的变更或数量的增减,质变是事物本性的改变。量变是质变的必要准备及前提,质变是量变的必然结果。世界上任何事物的变化都从量变开始,只有量变超过了一定的范围和限度才会发生质变。化工原理中有关量变到质变的例子很多。流体由下而上通过颗粒层床的流动便是一例。当流体通过床层的表观流速较小时,颗粒空隙中的流体的实际流速小于颗粒的沉降速度,颗粒是静止不动的,颗粒层为固定床。如果流体的流速不断增大,床内颗粒将“浮起”,颗粒层将“膨胀”,当流体通过颗粒空隙的实际流速等于颗粒的沉降速度时,床层不再膨胀,颗粒悬浮在流体中,此时的颗粒层为固定床。如果流体的流速继续增大,当流体通过床层的表观速度超过颗粒的沉降速度时,颗粒便获得上升的速度,此时颗粒将被带出塔外,这是颗粒的流体输送了。在填料塔正常操作时,液体是分散相,气体是连续相。保持一定的液体喷淋密度,当在低速范围内增大气速时,气体向上流动对液体沿填料表面向下流动的阻力很小,气体通过单位填料层高度压降对数与气速的对数呈直线关系;当气速再增时,气流开始阻拦液体下流,使填料上的挂液量增加,从而使直线的斜率增大;当气速继续增大到一定程度时,填料层中积聚的挂液量,已足以使液体充满整个填料层的自由空间,指使压降急剧上升,这时,液体开始由分散相转变为连续相,气体开始由连续相转变为分散相,使直线几乎与横坐标垂直,发生液泛,塔的正常操作被破坏。这些都是从量变到质变的具体形式。四、体系的完善:投资费用,操作费用对立统一是唯物辩证法最根本的规律,是唯物辩证法的实质和核心。任何事物都是矛盾的对立统一体,矛盾是世界联系和发展的源泉。在整个化工原理的教学过程中对立统一规律随处可见。吸收和解吸是一对矛盾,在某一条件下,操作点落在平衡线以上,此时该点表示吸收;如果其他条件不变,体系的温度升高,则平衡线向上移动,原操作点位于平衡线下方,此时该点就转化成解收。在管路的设计型计算中,如果流体的输送能力一定,那么,流体的速度选择越大,则管子的管径越小,即投资费用越小,而操作费用越大;相反,流体的速度选择越小,则管子的管径越大,即投资费用越大,操作费用越小。显然,投资费用和操作费用也是一对矛盾,它们之间既互相制约又互相联系,要降低操作费用,投资费用必然增大,反之亦然。因此,必须寻找一个平衡点,选择一个适宜的流速,使生产费用最低。五、通过小通道的流动现象是事物本质的外部表现,是事物的表面特征及外部联系,本质则是事物内在联系的根本性质,是事物现象的内部根据,科学认识的任务就是要通过现象抓住本质。固定床中颗粒间的空隙形成了许多可供流体通过的细小通道,这些通道是曲折而且互相交联的。同时,这些通道的面大小和形状又很不规则。表面上看,流体通过如此复杂的通道时,压降自然很难进行计算。但是,通过大量实验证明,固体颗粒较小时,流体在颗粒内的流动是极其缓慢的爬流,无边界层脱体现象发生。这样,流体阻力主要由颗粒层内固体表面积的大小决定,而与颗粒的形状几乎没有关系。基于对流体过程的这一本质规律的认识,将流体通过真实的、复杂的网络通道的流动简化成流体通过一组平行的毛细管的流动,即流体通过圆直管的流动,使颗粒层内的实际流动过程大幅简化。实验证明其结果也正确。六、理论模型、假定矛盾发展的不平衡性存在主次矛盾之分,主要矛盾与次要矛盾之间互相依存,没有主要矛盾,就无所谓次要矛盾,反过来也是一样。从错综复杂的矛盾系统中把握主要矛盾是十分重要的。如化工原理中的“理想流体”模型,忽略了流体流动时的内摩擦力,因此,理想流体在流动时机械能守恒,即满足伯努利方程。还有像“理论板假定”,假设离开某一塔板的气、液两相处于平衡状态。这些模型、假定巧妙地排除次要矛盾的干扰,突出显现事物的主要矛盾,揭示事物运动的本质。有了这些模型、假定,就可以集中主要精力研究其中所蕴含的普遍规律,然后再探寻实际与理想的偏差,最后针对偏差进行适当的修正,实际问题也就迎刃而解。化工原理课程中包含着十分丰富的哲学思想,在化工