《化工原理》课程教学大纲.docx

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《化工原理》课程教学大纲

《化工原理》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程代码：

260353

课程名称：

《化工原理》

英文名称：

PrinciplesofChemicalEngineering

课程类别：

专业基础课

学时：

90学时，化工原理（上册）40，化工原理（下册）40，实验10

学　　分：

4个

适用对象：

环境工程专业

考核方式：

期末考试成绩（占70%）加平时成绩（占30%），其中期末考试为闭卷考试，平时成绩包括考勤，作业、实验和平时测验等。

先修课程：

数学、物理、化学、物理化学

二、课程简介

中文简介：

化工原理课程属化学工程技术科学学科，是理论性和实践性都很强的学科，是环境工程专业必修的一门专业基础课程。

本课程的总学时为90学时，其中80学时为课堂教学，而10个学时为实践教学。

其中课堂教学章节和实验教学内容都是按环境工程专业的专业特点而设定的，而与环境工程专业关系不为紧密的则建议自学。

英文简介：

Chemicalengineeringisatechnologyofchemicalengineeringsubdiscipline.Thiscoursespecializeinstrongtheory,practiceandisacompulsorycoursestoenvironmentalengineeringspecialty.Thetotalperiodis90,including80periodclassroomteaachingand10periodpracticeteaching.Thecontentofthiscourseisarrangedaccordingtothecharacteristicsofenvironmentalengineering.Itissuggestedthatthosecontentthathaslittlerelationwithenvironmentalengineeringshouldbeself-studied.

三、课程性质与教学目的

（一）课程性质

《化工原理》是环境工程专业一门重要的专业基础课，它的内容是讲述化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。

化工单元操作是组成各种化工生产过程、完成一定加工目的的基本过程，其特点是化工生产过程中以物理为主的操作过程，包括流体流动过程、传热过程和传质过程。

（二）教学目的

化工原理课程的目的是使学生获得常见化工单元操作过程及设备的基础知识、基本理论和基本计算能力，并受到必要的基本操作技能训练。

为学生学习后续专业课程和将来从事工程技术工作，实施常规工艺、常规管理和常规业务打好基础。

具体目的如下：

1）能正确理解各单元操作的基本原理；了解典型设备的构造、性能和操作原理，并具有设备选型及校核的基本知识。

2）熟悉主要单元操作过程及设备的基本计算方法；掌握基本计算公式的物理意义、应用方法和适用范围；具有查阅和使用常用工程计算图表、手册、资料的能力。

3）熟悉常见化工单元操作要领。

4）具有选择适宜操作条件、探索强化过程途径和提高设备效能的初步能力；具有运用工程技术观点分析和解决化工单元操作一般问题的初步能力。

四、教学内容及要求

第一章绪论（1学时）

（一）教学内容

1.化工过程与单元操作的关系，化工生产过程的特点，化工工艺学与化

学工程学的性质，单元操作的任务；

2.《化工原理》课程的性质、内容，基础理论，典型单元操作，相关课程；

3.《化工原理》课程规律和重要基础概念，物料衡算，能量衡算，单位换

算和公式转换，平衡关系，过程速率，经济效益。

（二）基本要求

了解《化工原理》课程的性质和学习要求。

（三）重点

化工原理课程中三大单元操作的分类和过程速率的重要概念的内涵。

（四）难点

使学生通过对课程性质的了解，把基础课程的学习思维逐步转移到对专业

技术课程的学习上，在经济效益观点的指导下建立起"工程"观念。

了解本课程的

性质、任务、研究对象和研究方法。

本课程与本专业其他有关课程的关系。

第二章流体流动（18学时）

（一）学习目的与基本要求

1.理解流体的主要物性数据求取及不同单位之间的换算。

2.了解流体流动的连续性、稳定性和两种流动类型及判别。

3.掌握流体力学方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用。

4.掌握流体在管道中流动中流动阻力的计算方法，流体适宜流速的选择及

管道直径的确定。

5.了解管道的构成，管件，阀门的作用及简单管路和复杂管路的计算要求。

6.掌握管路中流体的压力、流速和流量的测定原理及方法。

皮托管、孔板流量计和转子流量计的测量原理，简单结构和性能。

（二）教学内容

第1.1节　流体的重要性质（1.5学时）

1.1.1　连续介质的假定

1.1.2　流体的密度

1.1.3　流体的可压缩性与不可压缩流体

流体的可压缩性，不可压缩流体。

1.1.4　流体的黏性

牛顿粘性定律，流体的黏度，理想流体与黏性流体。

第1.2节　流体静力学（2.5学时）

1.2.1　流体的受力

体积力，表面力。

1.2.2　静止液体的压力特性

压强的单位及其换算、压强的表示方式。

1.2.3　流体静力学方程

推导过程、使用条件、物理意义和例题。

1.2.4　液体静力学基本方程的应用

压力与压力差的测量（U管压差计、双液U管微压差计），液位的测量，液封高度的计算。

第1.3节　液体流动的概述（1学时）

1.3.1　流动体系的分类

定态流动与非定态流动，一维与多维流动，绕流与封闭管道内的流动。

1.3.2　流量与平均流速

1.3.3　流动型态与雷诺准数

雷诺准数，流型划分，当量直径与水利半径。

第1.4节　流体流动的基本方程（3.5学时）

1.4.1　总质量衡算——连续性方程

1.4.2　总能量衡算方程

流体系统的总能量衡算方程，流体系统的机械能衡算方程——柏努力方程，对伯努利方程的讨论。

1.4.3　机械能衡算方程的应用

第1.5节　动量传递现象（2学时）

1.5.1　层流――分子的动量传递

1.5.2　涡流特征与涡流传递

湍流的特点与表征，雷诺应力与涡流传递

1.5.3　边界层与边界层分离现象

边界层的形成与发展，边界层的分离与形体阻力。

1.5.4　动量传递小结

第1.6节　流体在管内流动的阻力（3.5学时）

1.6.1　管流阻力计算的通式

压力降――管流阻力的表现，直管摩擦力与范宁公式。

1.6.2　管内层流的摩擦阻力

1.6.3　管内湍流的摩擦阻力与量纲分析

量纲分析，管内湍流的摩擦阻力。

1.6.4　非圆形管的摩擦阻力

层流阻力，湍流阻力。

1.6.5　管道上的局部阻力

阻力系数法，当量长度法。

管道阻力的计算小结。

第1.7节　流体输送管路的计算（1学时）

管路布置中应注意的主要事项。

1.7.1　简单管路

1.7.2　复杂管路

并联管路，分支管路的计算。

1.7.3　可压缩流体管路的计算

第1.8节　流量的测量（0.5学时）

测速管，孔板流量计，文丘里流时计及转子流量计的构造，原理及应用。

流量计的选型，安装及使用。

1.9　非牛顿型流体的流动（0.5学时）

1.9.1　非牛顿流体的流动特性

假塑性流体，胀塑性流体，宾汉塑性流体。

1.9.2　幂律流体在管内流动的阻力

管内层流的阻力，管内湍流的阻力。

习题课（2学时）

（三）实践环节与课后练习

本章节设置一个实验，既《流体流动阻力的测定实验》，实验为3个学时。

另外，还要安排课后作业10题。

（四）教学方法与手段

本章节的主要教学手段是多媒体教学，通过电子图片来讲不同流体输送系统的流体力学特点。

第三章非均相物系的分离（6学时）

（一）学习目的与基本要求

1.了解重力沉降和离心沉降的基本原理，沉降速度基本计算方法及沉降定，旋风分离器的主要性能。

2.掌握过滤操作的基本概念，过滤和过滤速率，恒压过滤，恒速过滤，掌

握恒压过滤常数的计算方法和测定方法。

（二）教学内容

概念：

气态非均相物系与液态非均相物系。

非均相物系分离在化工生产中的应用。

第3.1节　沉降分离原理及设备（2学时）

3.1.1　颗粒相对于流体的运动

颗粒的特性，球形颗粒的自由沉降，阻力系数，影响沉降速度的因素。

3.1.2　重力沉降

自由沉降时沉降速度的计算，重力沉降设备。

3.1.3　离心沉降

离心力沉降速度及分离因素，离心沉降设备（旋风分离器和旋液分离器。

（重点，1学时）

第3.2节　过滤分离原理及设备（3学时）

3.2.1　流体通过固体颗粒床层的流动

固体颗粒群的特点，固体颗粒层的特征，流体通过固体颗粒床层的压力降。

3.2.2　过滤操作的基本原理

过滤方式，过滤介质，滤饼的压缩性和助滤剂。

3.2.3　过滤的基本方程

滤液通过滤饼的流动，过滤速度与滤液流速，滤饼阻力，过滤介质的阻力，过滤基本方程。

3.2.4　恒压过滤

3.2.5　恒速过滤与先恒压后恒速的过滤

3.2.6　过滤常数的测定

恒压下K，V，（qe）的测定，压缩性指数s的测定。

3.2.7　过滤设备

板框压滤机，加压叶滤机，转筒真空过滤机，过滤式离心机。

3.2.8　滤饼的洗涤

3.2.9　过滤机的生产能力

间歇过滤机的生产能力，连续过滤机的生产能力。

第3.3节　离心机（0.5学时）

3.3.1　一般概念

3.3.2　离心机的结构与操作简介

三足式离心机，卧式刮刀卸料离心机，活塞推料离心机，管式高速离心机。

第3.4节　固体流态化（0.5学时）

3.4.1　流态化的基本概念

流态化现象，两种不同流化形式，流化床的主要特点。

3.4.2　流化床的流体力学特性

流化床的压降，流化床的不正常现象，流化床的操作范围。

3.4.3　流化床的浓相区高度与分离高度

浓相区高度，分离高度。

3.4.4　气力输送简介

概述，稀相输送，密相输送。

（三）实践环节与课后练习

本章节设置一个实验，既《过滤常数的测定实验》，实验为3个学时。

另外，还要安排课后作业5题。

（四）教学方法与手段

本章节的主要教学手段是多媒体教学，通过电子图片来讲解不同混合物分离单元的结构特点、原理和设计参数，并将各种分离设备与环境工程的实际应用结构起来。

第四章　液体搅拌（4学时）

（一）学习目的与基本要求

通过本章学习，掌握常用典型搅拌器的性能，以便根据搅拌目的、物料特性和工艺对混合指标的要求，选择适宜结构形式的搅拌装置，并确定最佳的操作条件（如转速、功率）。

1.重点掌握几种常用搅拌器的结构、性能（主要指流动场）、混合机理

及功率估算；掌握提高搅拌槽内液体湍流程度的措施。

2.初步建立设备或装置放大的概念，了解工程放大的原则和方法。

（二）教学内容

第4.1节　搅拌机的性能和混合机理（1学时）

4.1.1　搅拌设备

搅拌设备的基本结构，机械搅拌器的类型，搅拌器的性能。

4.1.2　搅拌作用下的流体流动

搅拌设备内的基本流型，流体的流动状态，搅拌槽内液体的循环量和压头，增强搅拌槽内液体湍动的措施。

4.1.3　混合机理

均相液体的混合机理，非均相物系的混合机理。

4.1.4　其他类型混合器

管道搅拌器，非回转液体混合器。

4.1.5　搅拌器的选型和发展趋势

搅拌器的选型，搅拌器的发展趋势。

第4.2节　搅拌功率（2.5学时）

4.2.1　搅拌功率的准数关联式

影响搅拌功率的因素，搅拌功率的准数关联式。

4.2.2　均相系统搅拌功率的计算

全挡板条件下搅拌功率的计算，无挡板条件下搅拌功率的计算，关于搅拌功率的讨论。

4.2.3　非均相物系的搅拌功率的计算

不互溶液－液和固－液非均相物系的搅拌功率，气－液物系的搅拌功率。

4.2.4　非牛顿型流体的搅拌功率

第4.3节　搅拌设备的放大（0.5学时）

搅拌设备放大基础，搅拌设备的放大。

（三）实践环节与课后练习

本章节还要安排课后作业3题。

（四）教学方法与手段

本章节的主要教学手段是多媒体教学，通过电子图片来讲解不同搅拌设备的结构特点、原理和设计参数，并将各种分离设备与环境工程的实际应用结构起来。

第五章　传　　热（11学时）

（一）学习目的与基本要求

1.了解热传导的基本原理，掌握傅立叶定律及平壁和圆筒壁的热传导计

算。

2.理解对流传热的基本原理，牛顿冷却定律及影响对流传热系数的因素，

掌握对流传热系数的物理意义及经验关联式的用法，使用条件及注意事项。

3.理解辐射传热的基本概念及两固体辐射传热的计算。

4.掌握传热过程的计算，传热速度方程式，传热负荷，平均温度差，总传

热系数计算及了解强化传热过程，途径。

5.了解工业生产中常用换热器的类型，结构，并能进行列管式换热器的选

型计算。

（二）教学内容

第5.1节　传热过程概述（0.5学时）

热传导及导热系数，对流，热辐射，冷热流体热交换方式及换热器，载热体及其选择。

第5.2节　热传导（1.5学时）

5.2.1　平壁一维稳态热传导

单层平壁一维稳态热传导，多层平壁一维稳态热传导。

5.2.2　圆筒壁的一维稳定热传导

单层圆筒壁的一维稳定热传导，多层圆筒壁的一维稳定热传导

5.3　换热器的传热计算（2学时）

5.3.1　热平衡方程

5.3.2　总传热速率微分方程和总传热系数

5.3.3　传热计算方法

平均温度差，传热单元法。

第5.4节　对流传热（3学时）

5.4.1　对流传热机理和对流传热系数

对流传热机理，热边界层及对流传热系数。

5.4.2　对流传热的量纲分析

影响对流传热系数的因素，对流传热过程的量纲分析。

5.4.3　流体无相变时的对流传热系数

流体在管内的强制对流，流体在换热器的管间作强制对流，自然对流。

5.4.4　流体有相变时的对流传热系数

蒸气冷凝，流体沸腾传热。

5.4.5　非牛顿型流体的传热

流体在管内作强制层流时的对流传热系数，流体在管内作强制湍流时的对流传热系数。

5.5　辐射传热（3学时）

5.5.1　基本概念和定律

黑体、镜体、透热体和灰体，物体的辐射能力E，普朗克定律、斯蒂芬－玻耳兹曼定律及基尔霍夫定律。

5.5.2　两固体间的辐射传热

第5.6节　换热器（1学时）

5.6.1　间壁式换热器的结构形式

管式换热器的结构形式，板式换热器的结构形式，特殊形式换热器。

5.6.2　换热器传热过程的强化

增大传热面积，增大平均温度差，增大传热系数。

5.6.3　传热过程强化效果的评价

5.6.4　管壳式换热器的设计和选型

换热器设计的基本原则，设计与选型的具体步骤。

（三）实践环节与课后练习

本章节设置一个实验，既《对流传热系数的测定实验》，实验为4个学时。

另外，还要安排课后作业10题。

（四）教学方法与手段

本章节的主要教学手段是多媒体教学，通过电子图片来讲解不同热交换设备的结构特点、原理、技术参数和选择原则，并将各种热交换设备与环境工程的实际应用结构起来。

第六章传质与分离过程概论

（一）目的与要求

通过本章学习，掌握传质与分离过程的基本概念和传质过程的基本计算方法，为后面传质单元操作过程的学习打下良好基础。

（二）教学内容

第6.1节概述（1学时）

6.1.1传质分离方法

6.1.2相组成的表示方法

第6.2节质量传递的方式与描述（2.5学时）

6.2.1分子传质（扩散）

6.2.2对流传质

6.2.3相际间的传质

第6.3节传质设备简介（0.5学时）

6.3.1传质设备的分类与性能要求

6.3.2典型的传质设备

习题课（1学时）

应重点掌握的知识点：

1.传质分离方法的类型与选择；

2.相组成的表示方法；

3.传质的方式与描述；

4.相际间的对流传质模型—双膜模型；

5.传质设备的基本类型和性能要求。

一般掌握：

相际间的对流传质模型—溶质渗透模型和表面更新模型。

（三）实践环节与课后练习

课后练习：

p221,3,4,5,8；思考题：

1，2，4，7，8

（四）教学方法与手段

本章以教师讲授为主，安排1次习题课。

教学手段：

PPT课件（其中包含图片，Flash动画）。

第七章气体吸收

（一）目的与要求

通过本章学习，掌握气体吸收的基本概念（包括吸收的原理与流程，吸收过程的平衡关系与速率关系等）、掌握低组成气体吸收过程的计算方法以及填料塔的基本知识（包括填料的类型与性能评价，填料塔的流体力学性能与操作特性等）。

（二）教学内容

第7.1节概述（0.5学时）

7.1.1气体吸收过程与流程

7.1.2气体吸收的类型

7.1.3吸收剂的选择

第7.2节吸收过程的相平衡关系（0.5学时）

7.2.1气体在液体中的溶解度

7.2.2亨利定律

第7.3节吸收过程的速率关系（2学时）

7.3.1膜吸收速率方程

7.3.2总吸收速率方程

7.3.4吸收速率方程小结

第7.4节低组成气体吸收的计算（5学时）

7.4.1物料衡算与操作线方程

7.4.2吸收剂用量的确定

7.4.3塔径的计算

7.4.4吸收塔有效高度的计算

第7.5节吸收系数（1学时）

7.5.1吸收系数的测定

7.5.2吸收系数的经验公式

7.5.3吸收系数的准数关联式

第7.6节其他吸收与解吸（1学时）

7.6.1高组成气体吸收简介

7.6.2化学吸收

7.6.3解吸

第7.7节填料塔（2学时）

7.7.1塔填料

7.7.2填料塔的流体力学性能与操作特性

7.7.3填料塔的内件

习题课（3学时）

应重点掌握的知识点：

1.气体吸收过程的平衡关系和速率关系；

2.低组成气体吸收过程的计算；

3.填料塔的流体力学性能与操作特性。

一般掌握：

吸收系数；解吸；填料的类型与性能评价。

了解高组成气体吸收和化学吸收。

（五）实践环节与课后练习

课后练习：

p834~7，9，11，14；思考题：

1，2，4，6，7，8，10，11

（六）教学方法与手段

本章以教师讲授为主，安排1-2次习题课。

教学手段：

PPT课件（其中包含图片、实物照片、Flash动画等）。

第八章蒸馏

（一）目的与要求

通过本章学习，掌握蒸馏的原理，精馏过程的计算和优化，板式塔的基本结构、特性、操作和调节。

（二）教学内容

第8.1节概述（0.5学时）

8.1.1蒸馏过程的分类

8.1.2蒸馏分离的特点

第8.2节两组分溶液的气液平衡（1学时）

8.2.1两组分理想物系的气液平衡

8.2.2两组分非理想物系的气液平衡

8.2.3气液相平衡的应用

第8.3节单级蒸馏过程（0.5学时）

8.3.1平衡蒸馏

8.3.2简单蒸馏

第8.4节精馏—多级蒸馏过程（0.5学时）

8.4.1精馏原理

8.4.2精馏操作流程

第8.5节两组分连续精馏的计算（6学时）

8.5.1理论板的概念和恒摩尔流的假定

8.5.2物料衡算与操作线方程

8.5.3理论板数的计算

8.5.4回流比的影响及选择

8.5.5简捷法求理论板数

8.5.6几种特殊情况下理论板数的计算

8.5.7连续精馏装置的热量衡算与精馏过程的节能

8.5.8精馏过程的操作型计算与节能

第8.6节间歇精馏（1学时）

8.6.1回流比恒定的间歇精馏

8.6.2馏出液组成恒定的间歇精馏

第8.7节特殊精馏（0.5学时）

8.7.1恒沸精馏

8.7.2萃取精馏

第8.8节板式塔（2学时）

8.8.1塔板的类型及性能评价

8.8.2塔板的结构

8.8.3板式塔的流体力学特性和操作性能

8.8.4板式塔的设计尺寸计算

习题课（2学时）

应重点掌握的知识点：

1.气（汽）液平衡关系的表达与应用；

2.理论板的概念和恒摩尔流的假定；

3.两组分连续精馏过程的计算和优化，包括物料衡算和操作关系、进料热状态的影响、理论板层数的计算、适宜回流比的确定、板效率的计算等。

4.板式塔的基本结构、流体力学和传质特性、负荷性能图。

一般掌握：

平衡蒸馏与简单蒸馏、间歇精馏、恒沸精馏、萃取精馏、单板效率和总板效率等。

（三）实践环节与课后练习

课后练习：

p1593~9，16.；思考题：

1~8.

（四）教学方法与手段

本章以教师讲授为主，安排1次习题课。

教学手段：

PPT课件（其中包含图片、实物照片、Flash动画等）。

第九章固体物料的干燥

（一）目的与要求

通过本章学习，掌握描述湿空气性质的参数及其计算方法，能熟练进行干燥过程的计算（包括物料衡算、热量衡算、干燥速率与干燥时间）。

了解干燥器的类型、选型依据及提高干燥过程热效率的方法。

（二）教学内容

第9.1节湿空气的性质及温度图（1学时）

9.1.1湿空气的性质

9.1.2湿空气的H-I图

第9.2节干燥过程的物料衡算与热量衡算（2学时）

9.2.1湿物料的性质

9.2.2干燥过程的物料衡算与热量衡算

第9.3节干燥速率与干燥时间（1学时）

9.3.1物料中水分的性质

9.3.2恒定干燥条件下干燥时间的计算

第9.4节干燥器（1学时）

9.4.1干燥器的主要类型

9.4.2选择干燥器的依据

9.4.3提高干燥器热效率的方法

习题课（1学时）

应重点掌握的知识点：

1.湿空气的性质，状态参数及H-I图的应用；

2.干燥过程的物料衡算及热量衡算；

3.物料中水分性质及划分方法、干燥速率及干燥时间的计算。

一般掌握：

干燥器的类型及选型依据。

（三）实践环节与课后练习

课后练习：

p2761，3~9，11，12；思考题：

1~5.

（四）教学方法与手段

本章以教师讲授为主，安排1次习题课。

教学手段：

PPT课件（其中包含图片、实物照片、Flash动画等）。

五、各教学环节学时分配

教学环节

教学时数

课程内容

讲

课

习

题

课

讨

论

课

实验

其他教学环节

小

计

第一章绪论

1

1

第二章流体流动

16

2

3

21

第三章非均相物系的分离

6

3

9

第四章液体搅拌

4

4

第五章传热

11

4

15

第六章传质与分离过程概论

4

1

5

第七章气体吸收

12

3

15

第八章蒸馏

12

2

14

第九章固体物料的干燥

5

1

6

合计

71

9

10

90

六、推荐教材和教学参考资源

建议教材：

柴诚敬主编.《化工原理》（上，下册），高等教育出版社，2005年

参考书：

[1]蒋维钧，戴猷元，顾惠君编著.《化工原理》（第二版）.清华大学出版社，2003年

[2]姚玉英主编.《化工原理》（第一版）.天津科学技术出版社，1993年

[3]余国琮主编.《化学工程辞典》（第二版）.化学工业出版社，2003年

[4]邓修，吴俊生编著.《化工分离工程》（第一版）.科学出版社，2002年

[5]参考书，丛德滋，丛梅，方图南.《化工原理