《化工原理-上》課程教學(xué)大綱

《化工原理-上》課程教學(xué)大綱課程編號：CHET2016課程類別：學(xué)科基礎(chǔ)課程授課對象：化學(xué)工程與工藝專業(yè)開課學(xué)期：春季學(xué)分：4學(xué)分主講教師：朱秀林、程振平、張正彪等指定教材：夏清，陳長貴主編，《化工原理》（上冊），天津科學(xué)技術(shù)出版社，2006年教學(xué)目的：化工原理是化工專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，是在數(shù)學(xué)、物理、制圖，物理化學(xué)等課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。其任務(wù)是使學(xué)生對化學(xué)工業(yè)各部門所共有的生產(chǎn)過程原理及單元操作有較為深入了解，能靈活運(yùn)用所學(xué)知識分析解決有關(guān)間歇操作的具體問題。包括：過程計(jì)算，典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)選型和主要工藝計(jì)算、操作條件分析等。為以后從事化工生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、研究開發(fā)等工作奠定必要的基礎(chǔ)。緒論課時(shí)：0－1周，共2課時(shí)教學(xué)內(nèi)容：化學(xué)工程的研究對象，本課程的目的與性質(zhì)，物料衡算與能量衡算，物理量的單位、因次。第一章流體流動課時(shí)：4－5周，共18課時(shí)教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)流體靜力學(xué)基本方程式一、流體的密度、靜壓強(qiáng)教學(xué)要點(diǎn)：點(diǎn)密度、靜壓強(qiáng)的基本概念二、流體靜力學(xué)基本方程教學(xué)要點(diǎn)：靜力學(xué)方程的三種形式三、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用教學(xué)要點(diǎn)：應(yīng)用條件，U壓差計(jì)，液位測量及液封計(jì)算第二節(jié)流體在管內(nèi)的流動一、流量與流速教學(xué)要點(diǎn)：體積流量、質(zhì)量流量，點(diǎn)速度，平均流速二、定態(tài)流動與非定態(tài)流動，連續(xù)性方程教學(xué)要點(diǎn)：概念，連續(xù)性方程的應(yīng)用三、能量衡算方程式教學(xué)要點(diǎn)：柏努利方程的推導(dǎo)，方程的三種形式四、柏努利方程式的應(yīng)用教學(xué)要點(diǎn)：確定流量，確定兩容器的相對位置，確定輸送設(shè)備的有效功率，確定管道中流體的壓強(qiáng)，方程式的解題要點(diǎn)第三節(jié)流體的流動現(xiàn)象一、牛頓黏性定律與流體的粘度教學(xué)要點(diǎn)：牛頓黏性定律，流體的粘度，速度梯度二、非牛頓型流體教學(xué)要點(diǎn)：剪切速率，假塑性流體，漲塑性流體，賓漢塑性流體三、流動類型與雷諾數(shù)教學(xué)要點(diǎn)：雷諾實(shí)驗(yàn)，滯流，湍流，過渡流，各自特點(diǎn)四、邊界層的概念教學(xué)要點(diǎn)：邊界層的形成，邊界層的發(fā)展，邊界層的分離第四節(jié)流體在管內(nèi)的流動阻力一、流體在直管中的流動阻力教學(xué)要點(diǎn)：范寧公式，管壁粗糙度，摩擦系數(shù)圖，湍流時(shí)的摩擦系數(shù)與量綱分析，當(dāng)量直徑二、管路上的局部阻力教學(xué)要點(diǎn)：阻力系數(shù)法，當(dāng)量長度法三、管路系統(tǒng)中的總能量損失教學(xué)要點(diǎn)：管件與閥門的當(dāng)量長度共線圖第五節(jié)管路計(jì)算一、管路計(jì)算中較常用的方法——試差法教學(xué)要點(diǎn)：試差思路，計(jì)算二、并聯(lián)管路與分支管路教學(xué)要點(diǎn)：管路特點(diǎn)及計(jì)算方法第六節(jié)流量測量一、測速管教學(xué)要點(diǎn)：原理，安裝注意事項(xiàng)二、孔板流量計(jì)教學(xué)要點(diǎn)：測量原理，計(jì)算公式三、文丘里流量計(jì)教學(xué)要點(diǎn)：測量原理，計(jì)算公式四、轉(zhuǎn)子流量計(jì)教學(xué)要點(diǎn)：測量原理，計(jì)算公式思考題：1、應(yīng)用流體靜力學(xué)方程式時(shí)應(yīng)注意哪些條件，請分別討論。2、在管路流動系統(tǒng)中，速度梯度最大的地方應(yīng)該位于管路的那一個(gè)位置，為什么？3、管壁的粗糙度對流體的流動有何影響？分別就層流和湍流流動情況下進(jìn)行討論，并說明理由。4、如圖所示，的高位槽液面維持恒定，管路中ab和cd兩段的長度、直徑及粗糙度均相同。某液體以一定流量流過管路，液體在流動過程中溫度可視為不變。問：（1）液體通過ab和cd兩段的能量損失是否相等？（2）此兩段的壓強(qiáng)差是否相等？并寫出它們的表達(dá)式。5、上圖所示的管路上裝有一個(gè)閥門，如減小閥門的開度，試討論：（1）液體在管內(nèi)的流量及流量的變化情況；（2）液體流經(jīng)整個(gè)管路系統(tǒng)的能量損失情況。第二章流體輸送機(jī)械課時(shí)：2-3周，共10課時(shí)教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)液體輸送機(jī)械一、離心泵教學(xué)要點(diǎn)：工作原理，主要部件，基本方程式二、離心泵的性能參數(shù)與特性曲線教學(xué)要點(diǎn)：性能參數(shù)，特性曲線，影響因素，性能換算三、離心泵的氣蝕現(xiàn)象與安裝高度教學(xué)要點(diǎn)：氣蝕現(xiàn)象，安裝高度的計(jì)算四、離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)教學(xué)要點(diǎn)：工作點(diǎn)，流量調(diào)節(jié)，泵的并聯(lián)與串聯(lián)五、離心泵的類型與選擇教學(xué)要點(diǎn)：類型，選型計(jì)算及選擇，其它類型泵簡介第二節(jié)氣體輸送和壓縮機(jī)械一、離心通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)教學(xué)要點(diǎn)：分類，風(fēng)量，風(fēng)壓，通封風(fēng)機(jī)的選擇二、旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)與真空泵教學(xué)要點(diǎn)：羅茨鼓風(fēng)機(jī)，液環(huán)壓縮機(jī)，真空泵三、往復(fù)壓縮機(jī)教學(xué)要點(diǎn)：工作過程，性能參數(shù)，多級壓縮，選用思考題：1、原用以輸送水的離心泵，現(xiàn)改用輸送密度為水的1.2倍的水溶液，水溶液其他性質(zhì)可視為與水的相同，若管路布局等都不變，試說明一下幾個(gè)參數(shù)有無變化。（1）流量；（2）壓頭；（3）泵出口處壓強(qiáng)表的讀數(shù)；（4）泵的軸功率。2．常用于管路系統(tǒng)中流量的調(diào)節(jié)方法有那幾種？并說出其調(diào)節(jié)流量的原理。3、為什么閥門等管件盡可能不要裝在離心泵的進(jìn)口管路上？第三章非均相物系的分離和固體流態(tài)化課時(shí)：2-3周，共10課時(shí)教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)顆粒和顆粒群的特性一、顆粒的大小及形狀教學(xué)要點(diǎn)：形狀系數(shù)，體積當(dāng)量直徑，球形度二、顆粒群的特性教學(xué)要點(diǎn)：粒度分布，平均粒徑第二節(jié)重力沉降一、沉降速度教學(xué)要點(diǎn)：球形顆粒的自由沉降，阻力系數(shù)，沉降速度的影響因素，沉降速度的計(jì)算二、重力沉降設(shè)備教學(xué)要點(diǎn)：降塵室，沉降槽第三節(jié)離心沉降一、慣性離心力作用下的沉降速度教學(xué)要點(diǎn)：離心沉降速度計(jì)算二、旋風(fēng)分離器的操作原理、性能、選用教學(xué)要點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器，臨界粒徑，分離效率，選型及計(jì)算第四節(jié)過濾一、顆粒床層的特性教學(xué)要點(diǎn)：空隙率，自由截面積，比表面積二、過濾操作原理教學(xué)要點(diǎn)：分類，過濾介質(zhì)，濾餅的壓縮性三、過濾基本方程式教學(xué)要點(diǎn)：濾液通過餅層的流動特點(diǎn)，過濾速率與速度，過濾阻力，基本方程式強(qiáng)化途徑四、恒壓過濾，恒速過濾教學(xué)要點(diǎn)：各自特點(diǎn)，恒壓恒速過濾聯(lián)用五、過濾常數(shù)的測定教學(xué)要點(diǎn)：測定方法及計(jì)算，壓縮性指數(shù)的測定六、過濾設(shè)備教學(xué)要點(diǎn)：板框過濾機(jī)，加壓葉濾機(jī)，轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)七、濾餅的洗滌教學(xué)要點(diǎn)：洗滌時(shí)間計(jì)算八、過濾機(jī)的生產(chǎn)能力教學(xué)要點(diǎn)：間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力，連續(xù)過濾機(jī)的生產(chǎn)能力第五節(jié)離心機(jī)一、一般概念、離心機(jī)的結(jié)構(gòu)與操作教學(xué)要點(diǎn)：分類，三足式離心機(jī)，臥式刮刀卸料離心機(jī)，管式高速離心機(jī)第六節(jié)固體流態(tài)化技術(shù)一、固體流體化的基本概念教學(xué)要點(diǎn)：流體化現(xiàn)象，流化形式，主要特性，不正?，F(xiàn)象二、流化床的總高度、提高流化質(zhì)量的措施及氣力輸送教學(xué)要點(diǎn)：濃相區(qū)高度，分離區(qū)高度，提高流化質(zhì)量措施，輸送分類思考題：1、顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)沿徑向沉降的過程中，其沉降速度是否為常數(shù)？2、以間歇過濾機(jī)處理某種懸浮液，若濾布阻力可以忽略，洗水體積與濾液體積之比為a，試分析洗滌時(shí)間與過濾時(shí)間的關(guān)系？3、理想流化床和實(shí)際流化床的主要區(qū)別試是什么？4、簡述氣力輸送的優(yōu)缺點(diǎn)。第四章傳熱課時(shí)：4周，共16課時(shí)教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)概述一、傳熱的基本形式教學(xué)要點(diǎn)：導(dǎo)熱。熱對流和熱輻射二、典型的傳熱設(shè)備及載熱體教學(xué)要點(diǎn)：間壁式換熱器，單管程，雙管程概念，載熱體選擇第二節(jié)熱傳導(dǎo)一、基本概念和傅立葉定律教學(xué)要點(diǎn)：溫度場，溫度梯度，傅立葉定律二、導(dǎo)熱系數(shù)教學(xué)要點(diǎn)：固體的導(dǎo)熱系數(shù)，液體的導(dǎo)熱系數(shù)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)三、平壁的熱傳導(dǎo)教學(xué)要點(diǎn)：單層平壁的熱傳導(dǎo)，多層平壁的熱傳導(dǎo)四、圓筒壁的熱傳導(dǎo)教學(xué)要點(diǎn)：單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)，多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)第三節(jié)對流傳熱概述一、對流傳熱速率方程教學(xué)要點(diǎn)：牛頓冷卻定律，對流傳熱系數(shù)二、對流傳熱機(jī)理及保溫層的臨界直徑教學(xué)要點(diǎn)：對流傳熱分析，熱邊界層，臨界直徑的計(jì)算第四節(jié)傳熱計(jì)算一、能量衡算，總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)教學(xué)要點(diǎn)：衡算方程式，微分方程式，總傳熱系數(shù)，污垢熱阻二、平均溫度差法教學(xué)要點(diǎn)：恒溫傳熱時(shí)的平均溫差，變溫傳熱時(shí)的平均溫差，逆流和并流時(shí)的平均溫差，錯(cuò)流和折流時(shí)的平均溫差三、傳熱單元數(shù)法教學(xué)要點(diǎn)：傳熱效率，傳熱單元數(shù)NTU，兩者關(guān)系第五節(jié)對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式一、影響對流傳熱系數(shù)的因素教學(xué)要點(diǎn)：流體的種類和相變化情況，流體的物性、溫度、流動形態(tài)，傳熱面的形狀、位置和大小二、對流傳熱過程的量綱分析教學(xué)要點(diǎn)：流體無相變化時(shí)的強(qiáng)制對流傳熱過程，自然對流傳熱過程，應(yīng)用關(guān)聯(lián)式用注意的問題三、流體無相變時(shí)的對流傳熱系數(shù)教學(xué)要點(diǎn)：流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流，流體在管外強(qiáng)制對流，自然對流四、流體有相變時(shí)的對流傳熱系數(shù)教學(xué)要點(diǎn)：蒸汽冷凝，膜狀冷凝，滴狀冷凝，液體的沸騰，壁溫的估算第六節(jié)輻射傳熱一、基本概念和定律教學(xué)要點(diǎn)：黑體、鏡體、透熱體和灰體，輻射能力E，Plank定律，Stefan-Boltzmann定律，Kirchhoff定律二、兩固體間的輻射傳熱，對流和輻射聯(lián)合傳熱教學(xué)要點(diǎn)：總輻射系數(shù)，幾何因素，計(jì)算公式，聯(lián)合傳熱計(jì)算第七節(jié)換熱器一、換熱器的分類教學(xué)要點(diǎn)：分類方法，間壁式換熱器，混合式換熱器，蓄熱式換熱器二、間壁式換熱器的結(jié)構(gòu)形式教學(xué)要點(diǎn)：管式換熱器結(jié)構(gòu)形式，板式換熱器結(jié)構(gòu)形式，，熱管換熱器的結(jié)構(gòu)形式三、管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選型，傳熱過程的強(qiáng)化教學(xué)要點(diǎn)：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題，計(jì)算步驟，過程強(qiáng)化的途徑思考題：1、試說明在多層壁的熱傳導(dǎo)中確定層間界面溫度的實(shí)際意義。2．試說明導(dǎo)熱系數(shù)、對流傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)的物理意義、單位和彼此間的區(qū)別。3、試說明流體有相變化時(shí)的對流傳熱系數(shù)大于五相變化時(shí)的對流傳熱系數(shù)的理由。4、試分析平均推動力法和傳熱單元數(shù)法間的關(guān)系。5、在蒸汽管道中通入一定流量和壓強(qiáng)的飽和水蒸汽，試分析：（1）在夏季和冬季中，管道的內(nèi)壁和外壁溫度有何變化？（2）若將管道保溫，保溫前、后管道內(nèi)壁和最外側(cè)壁面溫度有何變化？6、在列管換熱器中，擬采用飽和蒸汽加熱空氣，試問：（1）傳熱管的壁溫接近于哪種流體的溫度？（2）總傳熱系數(shù)K接近于哪種流體的對流傳熱系數(shù)？（3）如何確定兩流體在換熱器中的流經(jīng)？7、每小時(shí)有一定量的氣體在套管式換熱器中從T1冷卻到T2，冷水的進(jìn)出口溫度分別為t1和t2，兩流體是逆流流動，并均為湍流。若換熱器尺寸已知，氣體向管壁的對流傳熱系數(shù)比管壁向水的傳熱系數(shù)小很多，污垢和管壁的熱阻都可忽略不計(jì)，試討論一下各項(xiàng)：（1）若氣體的生產(chǎn)能力加大10％，如仍用原換熱器，但要維持原有的冷卻程度和冷卻水的進(jìn)口溫度不變，試問采取什么措施？并說明理由。（2）若因氣候變化，冷卻水的進(jìn)口溫度下降至t1’,現(xiàn)仍采用原換熱器并維持原冷卻程度，則應(yīng)采取什么措施？說明理由。（3）在原換熱器中，若將兩流體改為并流流動，如果要求維持原有的冷卻程度和加熱程度，是否可能？為什么？如不可能，說明應(yīng)采取說明措施。第五章蒸發(fā)課時(shí)：2周，共8課時(shí)教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)蒸發(fā)設(shè)備一、蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)教學(xué)要點(diǎn)：循環(huán)型蒸發(fā)器，膜式蒸發(fā)器，直接加熱蒸發(fā)器二、蒸發(fā)系統(tǒng)的輔助裝置及蒸發(fā)器的選型教學(xué)要點(diǎn)：冷凝器，真空泵，除抹器，選型的原則第二節(jié)單效蒸發(fā)一、溶液的溫差損失教學(xué)要點(diǎn)：溫差損失的計(jì)算，總溫差損失及有效溫差二、單效蒸發(fā)計(jì)算教學(xué)要點(diǎn)：蒸發(fā)量，加熱蒸汽消耗量，傳熱表面積第三節(jié)多效蒸發(fā)一、多效蒸發(fā)的操作流程教學(xué)要點(diǎn)：并流加料，逆流加料和平流加料流程二、多效蒸發(fā)計(jì)算教學(xué)要點(diǎn)：物料衡算，焓衡算，各效傳熱表面積有效溫差的分配三、多效蒸發(fā)和單效蒸發(fā)的比較教學(xué)要點(diǎn)：溶液溫差損失與多效蒸發(fā)效數(shù)的限制，經(jīng)濟(jì)性，蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力比較，節(jié)能第四節(jié)蒸發(fā)器的工藝設(shè)計(jì)一、加熱室、循環(huán)管、分離室教學(xué)要點(diǎn)：設(shè)計(jì)的原則思考題：1、升膜蒸發(fā)器和降膜蒸發(fā)器各有和特點(diǎn)？它們適用于何種物料的蒸發(fā)操作？2、在多效蒸發(fā)中，為什么有效溫差會在各效之間進(jìn)行分配？3、采用多效蒸發(fā)可以提高生蒸氣的利用率？是否效數(shù)越多越好？為什么？第六章干燥課時(shí)：2周，共8課時(shí)教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)濕空氣的熱力學(xué)性質(zhì)及濕度圖一、濕空氣的熱力學(xué)性質(zhì)教學(xué)要點(diǎn)：濕度，相對濕度，比熱容，焓，干濕球溫度，絕熱飽和溫度和冷卻溫度，露點(diǎn)二、濕空氣的H-I圖教學(xué)要點(diǎn)：等H線，等I線，等t線，等相對濕度線，蒸氣分壓線，H-I圖的應(yīng)用第二節(jié)干燥過程的物料衡算與焓衡算一、濕物料中含水量的表示方法教學(xué)要點(diǎn)：濕基含水量，干基含水量二、干燥系統(tǒng)的物料衡算教學(xué)要點(diǎn)：水分蒸發(fā)量，空氣消耗量，干燥產(chǎn)品流量三、干燥系統(tǒng)的焓衡算教學(xué)要點(diǎn)：基本方程，干燥系統(tǒng)的熱效率四、空氣通過干燥器的狀態(tài)變化教學(xué)要點(diǎn)：等焓干燥過程，非等焓干燥過程第三節(jié)固體物料在干燥過程中的平衡關(guān)系與速率關(guān)系一、固體物料與物料中的水分教學(xué)要點(diǎn)：分類，物料中含水分的情況，平衡水分與自由水分，結(jié)合水分與非結(jié)合水分二、干燥時(shí)間的計(jì)算教學(xué)要點(diǎn)：恒定干燥條件下干燥時(shí)間的計(jì)算，干燥曲線，干燥速率曲線，干燥的幾個(gè)階段，變動干燥條件下的干燥時(shí)間計(jì)算第四節(jié)干燥器一、干燥器的主要形式教學(xué)要點(diǎn)：盤式干燥器，帶式干燥器，氣流干燥器流化床干燥器，噴霧干燥器，其他干燥技術(shù)二、干燥器的選型及工藝設(shè)計(jì)