化工学院国家级工程实践教育中心
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《化工原理》课程教学大纲
2016-04-28 00:00  

国家级大学生校外实践教育基地

湖南理工学院-岳阳兴长石化股份有限公司

工程实践教育中心

《化工原理》课程教学大纲

主讲: 武鹄、黄燕、王国祥

化工原理课程教学大纲

一、课程的基本信息

适应对象:化工、制药、等专业二年二期大学本科学生

课程代码:

学时分配:总学时108小时,二年二期72学时,三年一期36学时

赋予学分:6个学分

先修课程:高等数学、普通物理、物理化学

后续课程:化工工艺、化学反应工程、各种专业课程

二、课程性质与任务

"化工原理"是化学化工系本科生教学的重要专业技术基础课,是化学工程与工艺、制药工程、环境工程等专业的一门重要的专业基础课。本课程紧密结合化学工程类的专业特点,围绕单元操作原理和应用为主题,以动量传递、热量传递、质量传递过程为基础,系统介绍流体输送、沉降与过滤、传热、蒸馏、吸收及干燥等各单元操作的基本原理、基本计算方法、工程应用,从而使学生能清楚地掌握各单元操作的基本原理及基本计算方法,树立工程观念。在此基础上,课程对超临界萃取、蒸发、膜分离等现代先进的单元操作技术也作了简要介绍。

本课程通过课堂教学及实验教学、课程实习等实践性环节相结合,使学生牢固建立起"单元操作"的概念,培养学生工程分析方法及独立分析问题和解决问题的能力。通过系统的理论学习与实践,使学生具有一定的工程设计能力,为未来的工作和后继课程的学习打下基础。

三、教学目的与要求

通过本课程的学习,要使学生掌握流体流动、流体输送、传热、蒸馏、吸收等单元操作的基本原理及典型设备的设计计算方法,为进一步学习专业课程及从事工程实践奠定必要的理论基础。同时,要求通过各个教学环节培养学生的工程观点,使学生理解流体流动、传热与传质的共性与特殊性,提高分析和解决化工实际问题的能力。

四、教学内容与安排(△为重点、★为难点)

一、 教学内容

1 流体流动

1.1 流体静力学基本方程式

1.1.1 液体的密度

1.1.2 流体的静压强

1.1.3 流体静力学基本方程式

1.1.4 流体静力学基本方程式的应用

1.2 流体流动的基本方程

1.2.1 流量与流速

1.2.2 稳定流动与不稳定流动

1.2.3 连续性方程

1.2.4伯努利方程

1.2.5 伯努利方程式的应用

1.3 管内流体流动现象

1.3.1 粘度

1.3.2 流动类型与雷诺准数

1.3.3 层流与湍流

1.3.4 边界层的概念

1.4 流体流动的阻力损失

1.4.1 层流对直管阻力损失计算

1.4.2 湍流时直管阻力损失计算

1.4.3 局部阻力损失

1.4.4 管路阻力对管内流动的影响

1.5 流体输送管路的计算

1.5.1 简单管路

1.5.2 复杂管路

1.6 流速和流量的测量

1.6.1 测速管

1.6.2 孔板流量计

1.6.3 文丘里流量计

1.6.4 转子流量计

2 流体输送机械

2.1 离心泵

2.1.1 离心泵的工作原理

2.1.2 离心泵理论压头

2.1.3 离心泵的功率与效率

2.1.4 离心泵的特性曲线

2.1.5 离心泵的工作点与流量调节

2.1.6 并联与串联操作

2.1.7 离心泵的安装高度

2.1.8 离心泵的类型与选用

2.2 往复泵

2.2.1 往复泵的构造及操作原理

2.2.2 往复泵的流量调节

2.3 其它化工用泵

2.3.1 正位移泵

2.3.2 非正位移泵

2.4 气体输送机械

2.4.1 离心通风机、鼓风机与压缩机

2.4.2 旋转鼓风机、压缩机与真空泵

2.4.3 往复压缩机

3 机械分离和固体流态化

3.1 颗粒的沉降运动

3.1.1 流体绕过颗粒的流动

3.1.2 静止流体中颗粒的自由沉降

3.1.3 重力沉降设备

3.1.4 离心沉降

3.1.5 离心沉降设备

3.2 流体通过颗粒层的流动

3.2.1 颗粒床层的特性

3.2.2 流体通过固定床的阻力

3.2.3 过滤

3.3 离心机

3.3.1 一般概念

3.3.2 离心机的结构与操作

4 传热

4.1 概述

4.1.1 化工生产中的传热

4.1.2 传热过程

4.2 热传导

4.2.1 傅里叶定律

4.2.2 导热系数

4.2.3 平壁热传导

4.2.4 圆筒壁的热传导

4.3 对流传热

4.3.1 对流传热分析

4.3.2 牛顿冷却定律和对流传热系数

4.3.3对流传热的因次分析

4.3.4 对流传热系数的经验关联式

4.4 有相变的对流传热

4.4.1 蒸气冷凝传热

4.4.2 液体的沸腾传热

4.5 传热过程的计算

4.5.1 热量衡算

4.5.2 总传热速率微分方程

4.5.3 总传热系数K

4.5.4 传热推动力和总传热速率方程

4.5.5 稳定传热的计算

4.5.6 不稳定传热计算

4.6 换热器

4.6.1 间壁式换热器的类型

4.6.2 列管式换热器的选用

5 蒸馏

5.1 概述

5.2 两组分理想物系的汽液平衡

5.2.1 两组分理想物系的气液平衡关系

5.2.2 两组分理想溶液的气液平衡相图

5.3 平衡蒸馏和简单蒸馏

5.3.1 平衡蒸馏

5.3.2 简单蒸馏

5.4 精馏原理和流程

5.4.1 多次部分汽化、部分冷凝

5.4.2 塔板的作用

5.4.3 精馏操作流程图

5.5 两组分连续精馏的计算

5.5.1 理论板的概念及恒摩尔流假定

5.5.2 物料衡算和操作线方程

5.5.3 进料热状况的影响

5.5.4 理论板层数的求法

5.5.5 回流比的影响与选择

5.5.6 理论板数的简捷计算

5.5.7 塔高和塔径的计算

5.5.8 两组分精馏的其它类型

5.5.9 精馏塔的操作和调节

5.5.10 精馏装置的热量衡算

5.6 间歇蒸馏

5.6.1 馏出液组成维持恒定的操作

5.6.2 回流比维持恒定的操作

5.7 板式塔

5.7.1 塔板结构

5.7.2 塔板的流体力学状况

6 吸收

6.1 吸收

6.2 气液相平衡

6.2.1 气体在液体中的溶解度

6.2.2 亨利定律

6.2.3 相平衡与吸收过程关系

6.3 吸收过程的速率

6.3.1 分子扩散与费克定律

6.3.2 等摩尔逆向扩散

6.3.3 组分A通过静止组分B的扩散

6.3.4 分子扩散系数

6.3.5 单相内的对流传质

6.3.6 两相间传质的双膜理论

6.3.7 总传质速率方程式

6.3.8 传质速率方程式的各种表示形式

6.4 吸收塔的计算

6.4.1 物料衡算与操作线方程

6.4.2 吸收剂的用量与最小液气比

6.4.3 填料层高度的计算

6.4.4 吸收塔操作计算

6.4.5 解吸塔的计算

6.5 填料塔

6.5.1 填料塔的结构及填料特性

6.5.2 填料塔内气液两相流动特性

6.5.3 塔径的计算

6.5.4 填料塔的附件

7 干燥

7.1 概述

7.1.1 固体物料的去湿方法

7.1.2 对流干燥特点

7.2 湿空气的性质及湿度图

7.2.1 湿空气的性质

7.2.2 湿空气的H-I图

7.3 干燥过程的物料衡算和热量衡算

7.3.1 物料中含水量的表示方法

7.3.2 干燥器的物料衡算

7.3.3 干燥过程的热量衡算

7.3.4 干燥器出口状态的确定及干燥过程的计算

7.3.5 干燥系统的热效率

7.4 干燥速度与干燥时间

7.4.1 物料中所含水分的性质

7.4.2 恒定干燥条件下的干燥速率

7.4.3 恒定干燥条件下干燥时间的计算

7.5 干燥器

7.5.1 干燥器的主要类型

7.5.2 干燥器的选型

7.5.3 干燥器的设计

二、教学时间安排:

课程分

段标识

教 学 内 容

教学环节(学时)

1

流体流动

16

2

18

2

流体输送机械

4

4

3

非均相物系的分离

6

6

4

传 热

14

2

16

5

蒸 馏

10

2

12

6

吸 收

12

2

14

7

干 燥

8

2

10

8

9

10

11

12

13

14

15

总计

70

10

80

五、教学设备和设施

多媒体教室、化工原理教学模型

六、课程考核与评估

课堂考核+单元测试+期终考试

七、附录

教学参考文献目录

1. 化工原理(上、下册),姚玉英等编,天津大学出版社。

2. 化工原理(上、下册),谭天恩等编,化学工业出版社。

3. 化工原理,王志魁编,化学工业出版社。

4. 化工原理(上、下册),陈敏恒等编,化学工业出版社。

5. 化工原理实验,李德树,王存文等编,华中理工大学出版社。

6. 化工原理示例与练习,丛德滋,方图南编,华东化工学院出版社。

7. 化工原理习题解,姚玉英等编,天津大学出版社。

8. 化工原理课程设计,贾绍义,柴诚敬编,天津大学出版社。

9. 自编化工原理实验讲议

教学网络提示

课程教学实施计划

教学单元

教学方式

学时

教学内容(标注重点△,难点*)

教学目标与

作业要求

01

授课

2

绪论

△流体静力学方程

了解学习本课程的目的、意义及内容,掌握静力学方程的推导方法。P61 1.3.5

02

授课

2

流体静力学方程的应用

△ 压强、压差、液位检测

* 液封在化工生产中的作用

灵活运用静力学方程在压强、压差、液位、液封检测中的应用。

P628.10.11

03

授课

2

流体流动基本方程,柏努力方程的实际应用

△ 柏努力方程的意义

* 利用柏努力方程解题

理解柏努力方程的实际意义,利用柏努力方程解决实际问题。

P6313.18.19.20

04

授课

2

管内流体流动现象

△ 流体流动类型及雷诺数

* 边界层的产生、发展和分离

掌握粘度的定义和意义,理解层流和湍流,掌握雷诺数的意义及定义。P66 23.25.

05

授课

2

流体流动的阻力损失

△ 范宁公式及哈根—泊稷叶公式

△* 因次分析

掌握层流直管、湍流直管及局部阻力的计算方法及公式;理解管路阻力对流体流动的影响。P66 26.27.28

06

授课

2

流体输送管路的计算

* 复杂管路计算中的试差法;合理设计管路

掌握化工管路设计方法和简单管路、复杂管路计算方法。

P66 31.32.33

07

实验

2

流体流动阻力系数测定

△ 实验过程调节

△ 实验数据处理

掌握直管、球阀、闸阀和孔板流量计阻力系数测定方法和阻力系数的求解。

08

2

柏努力方程的实际应用;管路阻力对流体流动的影响。

△利用柏努力方程解题的原则及解决实际问题的能力

通过讨论,加深对柏努力方程解题的认识,管路阻力对流体流动的影响,提高处理实际问题的能力。

09

2

围绕1~2道综合性题讨论

依据流体流动规律,培养学生分析流体流动过程各参数变化的问题。

10

授课

2

1.流体输送机械概述2.离心泵工作原理及理论压头3.离心泵功率、效率及特性曲线

△离心泵的流量调节及工作点

* 理论压头公式推导及意义

了解离心泵工作原理和离心泵理论压头公式的意义,掌握离心泵的调节方法。P98 1.2.4

11

授课

2

1.离心泵的串、并联操作2.离心泵安装高度3.离心泵的类型及选择

△ 离心泵允许安装高度和最小汽蚀余量

△ 离心泵实际安装高度计算

了解离心泵串、并联特点和应用场合,掌握离心泵安装高度计算,正确选择离心泵。

P98 6.9.11

12

授课

2

1.非均相物系分离概述2.重力沉降和降尘室3.离心沉降和旋风分离器

△ stokes区沉降速度计算

掌握沉降速度的求解,了解临界直径的意义和应用,掌握离心沉降特点。P142 3.5.6

13

授课

2

1.过滤数学模型和基本方程2.过滤时间与滤液量的关系

△* 数学模型方法;

△ 过滤基本方程

了解建立化工过程动态特性的数学模型方法;掌握恒压过滤的计算方法。P142 7.9

14

授课参观

2

1.过滤设备2.实验室讲解参观

△ 板框过滤机的结构及操作

△ 连续过滤机的工作原理

了解各种过滤设备的结构和工作原理,掌握过滤设备的操作方法。

P14312.13.15

15

授课

2

1.化工传热概述2.平壁、圆筒壁热传导计算

△傅立叶定律及意义;圆筒壁传热速率计算

掌握热传导传热速率计算。

P219 2.3.4

16

授课

2

1.对流传热2.圆管内强制湍流对流传热系数计算

△ 因次分析法;对流传热系数计算公式及应用

掌握公式Nu=0.023Re0.8Prn的应用条件,并利用上式解决实际问题。P224 6.2.8

17

授课

2

流体无相变和有相变时对流传热系数的计算

△不同条件下选择合适的公式计算对流传热系数

掌握各种不同条件下对流传热系数的计算方法。P2199.11

18

授课

2

1.热负荷、平均温度差和总传热系数计算2.热效率和传热单元数

△ 传热基本方程应用

△ 传热总传热系数计算

掌握传热基本方程应用,学会各种不同条件下平均温度差和总传热系数计算。

P22014.15.16

19

授课

2

1.稳定传热计算2.换热器类型和选择

* 试差法在传热计算中的应用;

△ 正确选用换热器

掌握操作型传热计算方法;了解各种换热器类型、结构,正确选择和选用换热器。

P22116.20.21

20

实验

2

对流传热系数测定

△正确操作实验并获得数据;正确处理实验数据

测量对流传热系数并与半经验公式计算值比较;学会热电偶测量温度方法。

21

2

复习传热内容,纠正作业错误,讲解典型例题。

△传热基本概念,传热计算

掌握正确的解题方法,提高解决实际问题的能力。

22

2

围绕1~2道题深入讨论各细节,将本章内容联系到一起

使学生深入了解传热规律及热量衡算方法。

23

授课

2

1.双组分理想溶液的气液相平衡2.简单蒸馏和平衡蒸馏

△ 拉乌尔定律,相对挥发度

了解蒸馏的基本原理,掌握气液相平衡规律。P274 1.3.4.5

24

授课

2

双组分连续精馏计算

△ 操作线方程

△ 逐板计算法

了解操作线方程的推导、意义和应用;掌握NT的求法。。P2756.7.8.

25

授课

2

理论板数的影响因素;捷算法求NT

△ 进料热状态对NT的影响

△ 回流比对NT的影响

了解q、R和加料位置对NT的影响;掌握捷算法。P27613.16

26

授课

2

复杂塔的计算

* 其它精馏方式的特点和应用

了解各种其它精馏方式的特点和应用。

P27617.20.21

27

2

介绍典型精馏综合性习题

△* 典型例题讲解方法

了解精馏一章的主要内容,掌握正确的解题思路和方法

28

实验

2

筛板塔全塔效率测定

△ 认识精馏全过程和液体比重天平的正确使用

了解筛板塔结构、实验流程和操作方法;测定全回流时全塔效率。

29

授课

2

吸收过程与相平衡关系

△ 亨利定律

△ 溶解度

了解相组成表示法、溶解度和亨利定律。掌握吸收过程与相平衡关系。P3321.2.3

30

授课

2

1.吸收过程机理2.单相传质速率方程和传质系数3.总吸收速率方程和总吸收系数

△ 双膜理论

△ 总吸收速率方程

△ 总吸收系数

了解吸收过程机理—双膜理论定义和意义;掌握总吸收速率方程和总吸收系数公式;了解吸收总系数与吸收分系数之间关系。

P333 8.9

31

授课

2

吸收过程速率

△ 单方向分子扩散

△ 虚拟层流底层的定义和作用

了解分子扩散和对流扩散的特点,掌握对流扩散速率的推导方法。P333 4.5.6.7

32

授课

2

吸收塔计算:物料衡算和操作线方程;吸收剂用量和最小液气比

△ 操作线方程

△ 最小液气比

了解物料衡算方法和操作线方程的意义,掌握吸收剂用量和最小液气比的计算方法。

P333 10.11

33

授课

2

1. 填料塔流体力学特性及塔径计算

2. .填料层高度计算

掌握塔径和填料层高度的计算方法。

P333 13

34

2

△* 典型习题讲解

吸收总复习,掌握正确的解题方法和思路。

35

实验

2

填料吸收塔操作与吸收系数测定

△ 平稳操作实验过程

△ 实验数据处理

了解填料吸收塔结构和流程,掌握填料塔流体力学特性的测定方法和总体积系数测定。

36

授课

2

1.湿空气的性质2.湿空气湿度图和应用

△ 湿度图用法

△ 湿度、湿球温度和绝热饱和温度

了解湿空气性质,掌握湿度图应用

P374 1.3

37

授课

2

干燥过程的物料衡算和热量衡算

△* 决定干燥器出口气体的绝对湿度

掌握干燥过程所需绝干空气消耗量计算方法,正确决定干燥器出口气体状态。P374 5.6

38

授课

2

恒定干燥条件下的干燥速度与干燥时间的计算

△ 干燥机理

* 降速阶段干燥时间的计算

了解湿物料含水性质,掌握干燥机理,计算干燥时间。P374 8

39

2

讲解典型例题及总复习

复习干燥内容,掌握正确的解题方法。

40

实验

2

干燥操作及干燥速率曲线测定

掌握干燥速率曲线测定原理及实验程序

化工原理课程考核大纲

一、适应对象

修读完本课程规定内容的应用化学、化学工程与工艺、制药工程、环境工程专业的本科学生;

提出并获准免修本课程、申请进行课程水平考核的应用化学、化学工程与工艺、制药工程、环境工程专业的本科学生;

提出并获准副修第二专业、申请进行课程水平考核的非应用化学、化学工程与工艺、制药工程、环境工程专业的本科学生

二、考核目的

通过本课程的考核,要求学生系统掌握流体输送、沉降与过滤、传热、蒸馏、吸收及干燥等各单元操作的基本原理、基本计算方法、工程应用,从而使学生能清楚地掌握各单元操作的基本原理及基本计算方法,树立工程观念。培养学生工程分析方法及独立分析问题和解决问题的能力。通过系统的理论学习与实践,使学生具有一定的工程设计能力,为未来的工作和后继课程的学习打下基础。

三、考核形式与方法

闭卷考试

四、课程考核成绩构成

课堂考核+单元测试+期终考试

五、考核内容与要求

序号

内 容

分数分布

1

第一章 绪论

3~5

2

第二章 流体流动

10~15

3

第三章 流体输送机械

5~8

4

第四章 机械分离和固体流态化

5~8

5

第五章 传热

15~20

6

第六章 蒸馏

15~20

7

第七章 吸收

10~15

8

第八章 干燥

10~15

六、样卷

化工原理试卷

一.选择与填空 (20分 每空1分)

1.离心泵扬程的意义是( )

A.实际的升扬高度 B.泵的吸液高度

C.液体出泵和进泵的压差换算成的液柱高度

D.单位重量流体出泵和进泵的的机械能差值

2. 在列管式换热器中,用饱和蒸汽加热空气,下面两项判断是否合理,

甲:传热管的壁温将接近加热蒸汽温度。乙:换热器总传热系数K

将接近空气侧的对流传热系数 ( )

A.甲、乙均合理 B.甲、乙均不合理

C.甲合理,乙不合理 D.乙合理,甲不合理

3. 对某一汽液平衡物系,在总压一定时,温度升高,则亨利系数( )

A.变小 B.增大 C.不变 D.不确定

4. 二元溶液的连续精馏计算中,进料热状态参数q的变化将引起( )

的变化

A.平衡线 B.操作线与q线 C.平衡线与操作线 D.平衡线与q线

5. 物料的平衡水分一定是( )

A.非结合水分 B.自由水分 C.结合水分 D.临界水分

6. 能全部吸收辐射能,即吸收率A=1的物质称为___________。

7. 球型石英颗粒在水中的自由沉降速度为ut,若stocks公式适用,当粒径增加一倍时,其沉降速度将为原来的_____倍。

8. 写出三种常见的列管式换热器的名称___________、________________、__________________。

9. 恒压过滤时,若其他情况不变,过滤面积加倍,则所得滤液量是原来的____倍。

10.简单蒸馏与精馏的主要区别是_____________________________________________________________

11. 精馏的原理是_______________________________________________。

12. 在浮阀塔的负荷性能图中,塔的适宜操作范围通常是由下列5条边界线圈定的;雾沫夹带线:液泛线:_____________、_____________、____________。

13. 吸收因数A可以表示为______,它在Y—X图上的几何意义是_________________________。

14. 物料中的平衡水分的多少与____________性质和_____________性质有关。

二(16分))将一敞口贮槽中的溶液用泵输送到另一敞口高位槽中,两槽之间的垂直距离为15m,输送管路的规格为φ108×4mm,溶液在管内的平均流速为1.235m/s,管路摩擦系数取λ=0.02,管路总长为130m(包括全部局部阻力的当量长度),试求:(1).溶液在管内的流型。(2).泵的轴功率(η=60%)(计算时,取溶液密度为1500kg/m3, 粘度为1.5cP)

三(16分)有一套管式换热器,内管为φ54×2mm,外管为φ116×4mm的列管,内管中苯被加热,其流速为0.643m/s,苯的进口温度为50 oC,出口温度为80 oC。外管中为120 oC的饱和水蒸气冷凝,冷凝对流传热系数为1.0×104w/m2•K 。管外热阻及污垢热阻均可忽略不计。试求:套管的有效长度(K值的计算以内管的外壁为基准)(定性温度下苯的物性参数:Cp=1.86kJ/kg• oC , ρ=880kg/m3 , μ=0.39cP , λ=0.134w/m• oC )

四(16分)在常压逆流填料吸收塔中,用清水吸收焦炉气中氨,焦炉气处理量为500标准m3/h,进塔气体组成y1 为0.0132(摩尔分率)。氨的回收率为0.99。水的用量为最小用量的1.5倍。焦炉气入塔温度为30℃,空塔气速为1.1m /s。操作条件下平衡关系为Y* =1.2X(X ,Y为摩尔比)。气相体积总吸收系数KYa为200 kmol /m3.h,试求:(1)气相总传质单元数NOG ;(2)填料层高度Z

五(16分)在常压连续精馏塔中,分离两组分理想溶液。原料液组成为0.5(摩尔分率,下同)饱和气体进料。馏出液组成为0.9,釜液组成为0.05,操作回流比为最小回流比的2.0倍,操作条件下平均相对挥发度为3.0,试求:(1)提馏段操作线方程 (2)离开第二层理论板(从塔顶往下数)的气相组成y2 .

六(16分)在一连续干燥器中,每小时处理湿物料1000kg,经干燥后物料含水率由8%降至2%(均为湿基)。温度为20 oC,湿度为0.009kg水/kg绝干气 的新鲜空气经预热器预热到90 oC后进入干燥器,离开干燥器时空气湿度为0.022kg水/kg绝干气。试求:(1)原新鲜空气的消耗量 (2)预热器内的传热量

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