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

序

号

教 学 内 容

教学环节(学时)

讲

课

习

题

实

验

上

机

课

外

小

计

Ⅰ

Ⅱ

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

习

题

课

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

讨

论

课

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

习

题

课

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

讨

论

课

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

习

题

课

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

习

题

课

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

习

题

课

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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