化工原理教案(上册).doc
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化工原理教案(上册).doc
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《化工原理》教案
适用专业:
化学工程与工艺
教学单位:
化学化工学院
主讲教师:
杨性坤
课程编号:
05310108
英文译名:
PrinciplesofChemicalEngineering
课程性质:
专业基础课,必修
总学时数:
126学分:
7
适合专业:
化学工程与工艺
开课教研室:
化工原理教研室
先修课程:
高等数学、普通物理、物理化学
一、课程教学目标
通过对典型化工单元操作的学习,使学生掌握化工单元操作的基本原理、基本规律、所用典型设备的构造、工作原理、设备工艺尺寸的计算或设备选型等,引导学生树立正确的技术经济观点和工程观点,培养学生正确掌握运用所学基础理论来分析问题、利用技术经济观点来解决工程实际问题的能力。
二、课程的目的和任务
化工原理课程是化学工程与工艺类及相近专业的一门主干课,学生在具备了必要的高等数学、普通物理、物理化学、计算机基础等知识之后必修的一门技术基础课。
化工原理的主要研究内容是以化工生产中的物理加工过程为背景,按其操作原理的共性归纳成若干“单元操作”。
它的目的和任务是为无机化工工艺学、有机化工工艺学、分离工程等后续课程的学习以及为以后的教学、科研和生产实践打好基础。
本课程强调工程观点,定量运算和设计能力的训练,强调理论和实际相结合,提高分析问题,解决问题的能力。
三、理论教学的基本要求
1、要求学生掌握典型化工单元操作的基本原理、基本规律。
2、要求学生掌握各个单元操作所用典型设备的构造、工作原理、设备工艺尺寸的计算或设备选型。
3、了解各单元操作的目的、方法和特征。
4、理解工程上分析处理问题的观点和方法。
四、教学学时分配
章次
各章名称
总学时
学时分配
讲课
讨论
自学
习题课
小计
0
绪论
2
2
2
一
流体流动
18
16
2
3
21
二
流体输送设备
8
8
2
10
三
非均相物系的分离和固体流态化
16
14
2
3
19
四
传热
20
18
2
3
23
五
蒸发
8
8
1
9
六
蒸馏
14
12
2
3
17
七
吸收
14
13
1
3
17
八
蒸馏和吸收塔设备
4
4
1
5
九
液液萃取
10
10
2
12
十
干燥
12
11
1
2
14
总计
126
116
10
23
149
五、主要教学方法和考核方式
教学方法:
本课程的主要教学方法为课堂讲授,辅助课堂讨论、习题课和课外辅导,采用现场实地考察和教学模型增强感性认识。
为增大课堂知识容量和增强直观教学效果,要求有多媒体教室。
考核方式:
闭卷考试(期末考试成绩占70%,平时成绩占30%),试卷分A、B两套,客观题和主观题各占50%左右,主观题主要考察对基本概念和基本理论的掌握和理解情况,客观题主要考察利用基本理论分析解决问题和基本计算的能力。
六、使用教材及主要参考书
教材:
《化工原理》,夏清、陈常贵主编,天津大学出版社。
参考书:
《化工原理》,谭天恩、麦本熙、丁惠华编著,化学工业出版社。
《化工原理及其应用》王淼编著,济南出版社。
《化工原理》,大连理工大学化工原理教研室编,大连理工大学出版社。
《化工原理》,姚玉英主编,天津大学出版社。
概述(课程简介及单位换算)
一、化工原理课程研究内容、特点和学习要求
(一)化工原理课程研究内容
1.化工生产过程
对原料进行化工加工获得有用产品的过程称为化工生产过程。
纵观纷杂的化工生产工艺流程都是由化学反应和物理操作有机组合而成。
其中化学反应及其设备是化工生产的核心----反应工程。
物理操作过程起到为化学反应准备必要条件以及将反应物分离提纯而获得最终产品的作用。
这些物理操作统称为化工单元操作,是本课程研究的主要内容。
2.化工原理
1923年美国麻省理工学院的著名教授W.H.华克尔等人编写出版的第一部关于单元操作的著作――化工原理,从而奠定了化学工程作为一门独立工程学科的基础,完成了从化工生产工艺到单元操作的发展,推进认识上的一个飞跃。
3.化学工程的发展
20世纪60年代“三传一反”概念的提出,开辟了化学工程发展过程的第二个历程。
计算机应用的快速发展,使化学工程成为更完整的体系,并推向了“过程优化集成”、“分子模拟”的新阶段。
随着科学技术的高速发展,化学工程与相邻学科相融合逐渐形成了若干新的分支与生长点,诸如:
生物化学工程、分子化学工程、环境化学工程、能源化学工程、计算化学工程、软化学工程、微电子化学工程等。
同时,上述新兴产业与学科的发展,也推动了特殊领域化学工程的进步。
(二)单元操作分类和特点
1.单元操作分类
各种单元操作根据不同的物理化学原理,采用相应的设备,达到各自的工艺目的。
对于单元操作,可从不同角度加以分类。
根据各单元操作所遵循的规律,将其划分为如下类型,即:
(1)遵循流体动力学基本规律的单元操作,包括流体输送、沉降、过滤、物料混合(搅拌)。
(2)遵循热量传递基本规律的单元操作,包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。
(3)遵循质量传递基本规律的单元操作,包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。
从工程目的来看,这些操作都可将混合物进行分离,故又称之为分离操作。
(4)同时遵循热质传递规律的单元操作,包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。
另外,还有热力过程(制冷)、粉体工程(粉碎、颗粒分级、流态化)等单元操作。
2.单元操作特点
(1)物理过程;
(2)同一单元操作在不同的化工生产中遵循相同的过程规律,但在操作条件及设备类型(或结构)方面会有很大差别。
(3)对同样的工程目的,可采用不同的单元操作来实现。
3.开发新的单元操作
随着新产品、新工艺的开发或为实现绿色化工生产,对物理过程提出了一些特殊要求,又不断地发展出新的单元操作或化工技术,如膜分离、参数泵分离、电磁分离、超临界技术等。
同时,以节约能耗,提高效率或洁净无污染生产的集成化工艺(如反应精馏、反应膜分离、萃取精馏、多塔精馏系统的优化热集成等)将是未来的发展趋势。
单元操作的研究包括“过程”和“设备”两个方面的内容,故单元操作又称为化工过程和设备。
化工原理是研究诸单元操作共性的课程。
“三传理论的建立”是单元操作在理论上的进一步发展和深化。
传递过程是联系各单元操作的一条主线。
(三)本课程研究方法
本课程是一门实践性很强的工程学科,在长期的发展过程中,形成了两种基本研究方法,即:
1.实验研究方法(经验法)
该方法一般用因次分析和相似论为指导,依靠实验来确定过程变量之间的关系,通过无因次数群(或称准数)构成的关系式来表达。
是一种工程上通用的基本方法。
2.数学模型法(半经验半理论方法)
该方法是在对实际过程的机理深入分析的基础上,在抓住过程本质的前提下,作出某种合理简化,建立物理模型,进行数学描述,得出数学模型。
通过实验确定模型参数。
如果一个物理过程的影响因素较少,各参数之间的关系比较简单,能够建立数学方程并能直接求解,则称为解析法。
研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。
(四)化工过程计算的理论基础
化工过程计算可分为设计型计算和操作型计算两类,其在不同计算中的处理方法各有特点,但是不管何种计算都是以质量守恒、能量守恒、平衡关系和速率关系为基础的。
上述四种基本关系将在有关章节陆续介绍。
(五)本课程特点及学习要求
1.本课程特点
该课程是化工类及相近专业一门重要的技术基础课,兼有“科学”与“技术”的特点,它是综合运用数学、物理、化学等基础知识,分析和解决化工类型生产中各种物理过程的工程学科。
在化工类专门人才培养中,它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务。
本课程强调工程观点、定量运算、实验技能及设计能力的培养,强调理论联系实际。
作为一门综合性技术学科的一个重要组成部分,主要研究各单元操作的基本原理,所用的典型设备结构,工艺尺寸设计和设备的选型的共性问题,是一门重要的专业基础课。
2.学习要求
学习本课程中,应注意以下几个方面能力的培养:
(1)单元操作和设备选择的能力
(2)工程设计能力
(3)操作和调节生产过程的能力
(4)过程开发或科学研究能力
将可能变现实,实现工程目的,这是综合创造能力的体现。
第一章流体流动
1.本章学习的目的
通过本章学习,掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律,并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题,诸如:
(1)流体输送:
流速的选择,管径的计算,输送机械选型。
(2)流动参数的测量:
压强(压力)、流速(流量)等。
(3)不互溶液体(非均相物系)的分离和分散(混合)。
(4)选择适宜的流体流动参数,以适应传热、传质和化学反应的最佳条件。
2.本章重点掌握的内容
(1)静力学基本方程的应用
(2)连续性方程、柏努力方程的物理意义、适用条件、应用柏努力方程解题的要点和注意事项。
(3)管路系统总能量损失方程(包括数据的获得)
本章应掌握的内容
(1)两种流型(层流和湍流)的本质区别,处理两种流型的工程方法(解析法和实验研究方法)
(2)流量测量
(3)管路计算
本章一般了解的内容
(1)边界层的基本概念(边界层的形成和发展,边界层分离)
(2)牛顿型流体和非牛顿型流体
3.本章学习应注意的问题
(1)流体力学是传热和传质的基础,它们之间又存在着密切的联系和相似性,从开始学习流体流动就要学扎实,打好基础。
(2)应用柏努力方程、静力学方程解题要绘图,正确选取衡算范围。
解题步骤要规范。
4.本章教学时数分配
授课学时数12自学学时数24
5.本章学习资料
必读书籍
姚玉英主编.化工原理(上册)(第一章"流体流动")·天津:
天津大学出版社.1999
参考书籍
1.陈敏恒等.化工原理,上册.北京:
化学工业出版社.1999
2.谭天恩等.化工原理,上册.北京:
化学工业出版社.1990
3.蒋维钧.化工原理,上册.北京:
清华大学出版社.1992
4.姚玉英.化工原理例题与习题,第三版.北京:
化学工业出版社.1998
5.柴诚敬等.化工原理学习指导.天津:
天津科技出版社.1992
6.柴诚敬,张国亮.化工流体流动和传热.北京:
化学工业出版社.2000
7.张言文.化工原理60讲,上册.北京:
轻工业出版社.1997
概述
一.流体的定义和分类
1.定义:
气体(含蒸汽)和液体统称流体。
2.分类:
(1)按状态分为气体、液体和超临界流体。
(2)按可压缩性可分为不可压缩流体和可压缩流体。
(3)依是否可忽略分子间作用力分为理想流体和粘性(实际)流体。
(4)按流变特性(剪力与速度梯度之间关系)分牛顿型和非牛顿型流体。
二.流体特征
1.流动性,即抗剪抗张的能力很小;
2.无固定形状,易变形(随容器形状),气体能充满整个密闭容器空间;
3.流动时产生内摩擦,从而构成了流体流动内部结构的复杂性。
三.作用在流体上的力
外界作用于流体上的力有两种,即质量力和表面力。
1.质量力(又称体积力)
质量力作用于流体的每个质点上,并与流体的质量成正比,对于均质流体也与流体的体积成正比。
流体在重力场中受到重力、在离心力场中受到的离心力都是典型的质量力。
2.表面力(又称接触力或机械力)
表面力与流体的表面积成正比。
作用于流体中任一微小表面上的力又可分为两类,即垂直于表面的力和平行于表面的力。
前者为压力,后者为剪力(切力)。
静止流体只受到压力的作用,而流动
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