化工原理.docx
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化工原理
化工原理
教学大纲
河北经贸大学生物科学与工程学院
食品工程教研室
2009.10
编写说明
化工原理是化工工艺类及其相近专业的一门主干课，一门很重要的技术基础课，是我院生物工程和食品工程专业的一门核心必修课，它在基础课和专业课之间起着承前启后、由理及工的桥梁作用。
具体研究化工生产过程中的物理操作过程及其设备。
研究方法主要是理论解析和在理论指导下的实验研究。
为了培养学生运用辩证唯物主义观点和科学方法考察、分析和处理工程实际问题;培养学生的工程观点以及实验技能和设计能力，特编写此大纲。
本大纲是以天津大学化工原理教研室编《化工原理》为依据，习题讨论课以本教研室编写的《化工原理习题集》为基础，各章均指出了教学目的和要求，重点和难点，并提供了思考题及课时分配表以供参考。
本大纲的内容共有七部分，即教学目的与要求、重点与难点、教学内容、考核目标、复习思考题、参考书目、课时分配等。
按照我校课程改革的设想，我们再一次对本大纲进行修订，修订后。
由温志英老师修正、审核，定稿。
食品工程教研室
2009.10
课时分配表
章节
内容
课时
绪论
2
第一章
流体流动
16
第二章
流体流动设备
4
第三章
非均相物系分离
12
第四章
传热
8
第五章
蒸馏
14
第六章
吸收
16
第七章
蒸馏吸收塔设备
4
第八章
干燥
8
化工原理实验
18
合计
102
目录
绪 论
第一章流体流动
第一节流体静力学基本方程式
第二节流体在管内的流动
第三节流体的流动现象
第四节流体在管内的流动阻力
第二章流体输送机械
第一节液体输送机械
第二节气体输送和压缩机械
第三章非均相物系的分离
第一节颗粒及颗粒床层的特性
第二节沉降过程
第三节过滤
第四节离心机
第四章传热
第一节概述
第二节热传导
第三节对流传热概述
第四节传热过程计算
第五节对流传热系数关联式
第六节辐射传热
第七节换热器
第五章蒸馏
第一节概述
第二节两组分溶液的气液平衡
第三节平衡蒸馏和简单蒸馏
第四节精馏原理和流程
第五节两组分连续精馏的计算
第六节间歇精馏
第七节恒沸精馏和萃取精馏
第六章吸收
第一节气-液相平衡
第二节传质机理与吸收速率
第三节吸收塔的计算
第四节吸收系数
第七章蒸馏和吸收塔设备
第一节板式塔
第二节填料塔
第八章干燥
第一节湿空气的性质及湿度图
第二节干燥过程的物料衡算与热量衡算
第三节固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系
第四节干燥设备
绪 论
【教学目的和要求】:
对化学工程有总体的了解，清楚单元操作在化工过程中的地位，掌握单元操作处理问题方法，了解本课程与相关课程的关系。
【教学重点与难点】：
单位换算及物料衡算。
【教学方法】：
讲授与自学相结合
【教学内容】：
一、化工原理课程简介
1、化工原理课程的内容与性质
2、化工原理课程所要解决的问题，即任务
二、化工生产过程
用化工手段将原料加工成产品的生产过程称为化工生产过程。
1、化工单元操作
2、单元操作的种类
三…、单元操作的四种衡算
1、物料衡算
2、能量衡算
3、速率关系
4、平衡关系
5、物理量的单位及相互关系
【思考题】：
1、何为化工生产过程？
2、如何进行物料衡算？
第一章 流体流动
【教学目的和要求】:
学习流体流动的考察方法及流体流动中的力和能。
掌握流体在静止和流动时的质量和能量守恒规律。
了解流体流动时的内部结构，掌握流体流动能量损失及其计算方法。
熟悉化学工业中各种流体输送问题，用上述原理和规律解决管路计算及外功计算问题。
【重点和难点】:
柏努力方程式物理意义、应用条件、解题步骤和要点
【教学方法】：
讲授与自学相结合
【教学内容】:
第一节 流体静力学基本方程式
、流体的密度
单位体积流体具有的质量称为流体体的密度。
二、流体的静压强
1、静压强的表达式
2、流体压强的不同表达方法
绝对压强、表压强、真空度
三、流体静力学基本方程式
四、流体静力学基本方程式的应用
1、压强与压强差的测量
2、液位的测量
3、液封高度的计算
第二节 流体在管内的流动
一、流量与流速
1、流量
单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。
体积流量与质量流量
2、流速
单位时间内流体在流动方向上所流过的距离，称为流速。
质量流速为主
二、定态与非定态流动
化工生产中多为连续定态过程。
三、连续性方程式
通过物料衡算进行方程式推导
四、能量衡算方程式
1、流动系统的总能量衡算
2、流动系统的机械能衡算式与柏努利方程式
3、柏努利方程式的讨论
五、柏努利方程式的应用。
1、确定管道中流体的流量
2、确定设备间的相对位置
3、确定输送设备的有效功率
4、确定管路中流体的压强
5、应用柏努利方程式解题要点
第三节 流体的流动现象
一、牛顿粘性定律与流体的粘度
1、牛顿粘性定律
2、流体的粘度
二、非牛顿型流体的概念
所有的气体与大多数流体都是牛顿型流体。
但化工中亦常见非牛顿型流体。
非牛顿型流体的分类
三、流动类型与雷诺准数
1、雷诺实验
2、雷诺数值与流动类型
四、滞流与湍流
1、流体内部质点的运动方式
2、流体在圆管内的速度分布
3、流体在圆管内的流动阻力
五、边界层的概念
1、边界层的形成
2、边界层的发展
3、边界层的分离
第四节 流体在管内的流动阻力
一、流体在直管中的流动阻力
1、计算圆形直管阻力的通式
2、管壁粗糙度对摩擦系数的影响
3、滞流时的摩擦系数
4、流体在非圆形直管内的流动阻力
二、摩擦系数因次分析
三、管路上的局部阻力、管路系统中的总能量损失。
1、阻力系数法计算能量损失
2、当量长度法计算能量损失
3、管路总能量损失的计算
第五节 管路计算
一、试差法
通常化工中遇到的管路计算有三种情况，其中要用到试差的方法
二、并联管路与分支管路
并联管路与分支管路的计算目的：
1、求各支管的流量
2、选择合适的管径
3、计算输送设备的功率要求
第六节流量测量:
一、测速管
二、孔板流量计
三、文丘里流量计
四、转子流量计
【思考题】：
1、一右侧带有一不等径管的大贮水容器，其中d2=50mm，d3=20mm，当阀们关时，h=0.5m管压差机的读数为R=374mm，指示液为水银，ρ水银=13600kg/m3，求：
（1）当阀门关闭时，液面高度H（以管中心为基准）;
（2）假设h不变，总阻力（不包括进出口阻力）损失为0，则阀门打开时，出口处的流速u及此刻U管压差计读数R’各为多少？
（支管入口处的阻力损失可忽略）。
2、绝对压力、表压、大气压是什么关系？
3、U形压差计、倾斜液相压差计、微压差计各应用什么场合？
4、什么是理想流体？
伯努利方程应用条件有些？
5、流体流动分为几种类型？
如何判定流体的流动类型？
层流与湍流本质区别是什么？
雷诺数的物理意义是什么？
第二章 流体输送机械
【教学目的和要求】:
了解化工生产中常用的流体输送设备的结构，掌握其工作原理和选用。
【重点和难点】：
本章以离心泵为重点，主要掌握离心泵的工作原理、操作特性及选型；其它类型的液体输送机械和气体输送机械通过和离心泵的对比来了解其操作特性及适用场合。
【教学方法】：
讲授与自学相结合
【教学内容】
第一节 液体输送设备
一、离心泵的工作原理和主要部件
1、叶轮
2、泵壳
二、离心泵的基本方程式
1、流体通过叶轮的流动分析
2、方程式的推导
三、离心泵的性能参数与特性曲线
1、离心泵的主要性能参数
流量 压头 效率 轴功率
2、离心泵的特性曲线
四、离心泵的性能改变和换算、
1、液体物性的影响
2、离心泵转速的影响
3、离心泵叶轮直径的影响
五、离心泵的气蚀现象与允许吸上高度
1、离心泵的气蚀现象
2、允许吸上高度
六、离心泵的工作点与调节
七、离心泵的联用
1、离心泵的并联操作
2、离心泵的串联操作
八、离心泵的类型与选用
九、其它类型泵
往复泵、旋转泵、漩涡泵的工作原理和适用范围。
第二节 气体输送和压缩设备
一、离心能风机、鼓风机与压缩机
离心通风机的结构、性能参数和特性曲线、选择
离心鼓风机和压缩机
二、旋转鼓风机与压缩机
1、罗茨鼓风机
2、液环压缩机
三、真空泵、往复压缩机
1、工作原理
2、主要性能参数
3、多级压缩
4、分类与选用
【思考题】：
1、原用于输送水的离心泵，现改用输送密度为1.2的水溶液，水溶液其他性质可视为与水相同。
若管路布局都不变，说明以下几个参数的确变化：
（1）流量
（2）压头 （3）泵的轴功率
2、离心泵为什么会发生"气缚"现象?
3、为什么离心泵多是采用后弯叶片？
4、为什么泵的实际压头与实际流量分别均小于理论压头和流量？
5、液体物性对离心泵特性曲线有什么影响？
6、离心泵的气蚀和气缚有什么不同？
第三章 非均相物系的分离
【教学目的和要求】:
了解非均相物系的性质、分离目的及分离方法。
掌握颗粒沉降运动（重力沉降、离心沉降）的基本原理。
掌握过滤的基本概念，过滤速率方程及其应用，了解过滤机的结构特性、操作及计算方法。
【重点和难点】：
重点掌握沉降和过滤两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性，能够根据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。
【教学方法】：
讲授与自学相结合
【教学内容】:
第一节 颗粒及颗粒床层的特性
一、颗粒及颗粒床层的特性
1、颗粒的特性
2、颗粒群的特性
3、粒子的密度
第二节 沉降过程
一、重力沉降
1、沉降速度
2、降沉室
3、沉降槽
二、离心沉降
1、旋风分离器的操作原理、结构型式与选用
2、临界粒径、分离效率、压强降
第三节 过滤
一、过滤操作的基本概念
过滤是以某种多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的流体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。
1、过滤的外力种类
2、过滤方式
3、过滤介质
4、滤饼的压缩性和助滤剂
二、过滤基本方程式
1、滤液通过饼层的流动
2、过滤速率
3、滤饼的阻力
4、过滤介质的阻力
5、过滤基本方程式
三、恒压过滤
四、恒速过滤与先恒速后恒压过滤
五、过滤常数的测定
六、过滤机的生产能力
1、间歇过滤机的生产能力
2、连续过滤机的生产能力
第四节 离心机
一、离心机的一般概念
二、离心机的结构与操作
三、离心机及气体的其它净制方法
【思考题】：
1、计算在压强差3ⅹ105pa下对钛白粉在水中的悬浮液进行过滤实验，测得过滤常数K=0.00005m/s，qe=0.01m3/m2，又测得滤饼体积与滤液体积之比为v=0.08.现拟用有38个框的BMY50/810-25型板框压滤机处理此浆料，过滤推动力及所用滤布也与实验相同，
求：
（1）过滤到框内全部灌满滤渣需要的时间;
（2）过滤完毕一相当与滤液量1/10的清水进行洗涤，求洗涤时间;
（3）若每次卸渣，重装等全部辅助操作共需15分，每台过滤机的生产能力（以每小时平均可得到的m3滤饼计）。
2、直径为50μm的球形石英颗粒（密度为2650kg/m3），在20℃的空气中从静止状态开始做自由沉降，需要多少时间才能完全达到其（终端）沉降速度？
需要多少时间便能达到其沉降速度的99%。
3、颗粒在旋风分离器中沿径向趁机沉降的过程中，其沉降速度是否为常数？
4、以间歇过滤机处理某种悬浮液，若滤布阻力可忽略，洗水体积与滤液体积之比为a，试分析洗涤时间与过滤时间的关系。
第四章 传热
【教学目的和要求】:
了解三种传热基本方式的基本定律和计算方法。
重点掌握对流传热和传热计算。
了解换热器的类型，掌握列管式换热器的设计及选用。
了解新型换热器。
掌握传热的强化途径。
【重点和难点】：
传热过程中传热速率与热量平衡之间的关系，熟练运用传热速度方程和热量平衡方程解决各种类型的问题。
【教学方法】：
讲授与自学相结合
【教学内容】:
第一节 概述
一、传热的基本方式
1、热传导
2、热对流
3、热辐射
二、传热过程中热、冷流体（接触）热交换的方式
1、直接接触式换热和混合式换热器
2、蓄热式换热和蓄热器
三、典型的间壁式换热器
四、载热体及其选择
第二节 热传导
一、基本概念和傅立叶定律
1、湿度场和温度梯度
2、傅立叶定律
二、导热系数
1、固体的导热系数
2、流体的导热系数
3、气体的导热系数
三、平壁的热传导
1、单层平壁的热传导
2、多层平壁的热传导
四、圆筒壁的热传导
1、单层圆筒壁的热传导
2、多层圆筒壁的热传导
第三节 对流传热概述
一、对流传热速率方程和对流传热系数
1、对流传热速率方程
2、对流传热系数
二、对流传热机理
1、对流传热分析
2、热边界层
三、保温层的临界直径
第四节 传热计算:
一、能量衡算
二、总传热速率微分方程和总传热系数
三、平均温度差法
1、恒温传热时的平均温度差
2、变温传热时的平均温度差
3、总传热系数不为常数时的传热计算
四、传热单元数法
1、传热效率
2、传热单元数
3、传热效率和传热单元数的关系
第五节 对流传热系数关联式
一、影响对流传热系数的因素
1、液体的种类和相变化的情况
2、流体的特性
3、流体的温度
4、流体的流动状态
5、流体流动的原因
6、传热面的形状、位置和大小
二、对流传热过程的因次分析
1、流体无相变时的强制对流传热过程
2、自然对流传热过程
3、应用准数关联式应注意的问题
三、流体无相变时的对流传热系数
1、流体在管内作强制对流
2、流体在管外强制对流
3、自然对流
四、流体有相变时的对流传热系数
1、蒸气冷凝
2、流体的沸腾
五、壁温的估算
第六节 辐射传热:
一、基本概念
物体以电磁波形式仁慈能量的过程称为辐射。
二、物体的辐射能力和有关的定律
1、普郎克定律
2、斯蒂芬-波尔曼定律
3、克希霍夫定律
三、两固体间的辐射传热
四、对流和辐射的联合传热
第七节 换热器
一、间壁式换热器的类型
1、管式换热器
2、板式换热器
3、翅片式换热器
二、列管式换热器的设计和选用
1、列管式换热器设计时应考虑的几个问题
2、列管换热器的选用和设计计算步骤
三、各种间壁式换热器的比较和传热的强化途径
1、比较
2、强化途径
【思考题】：
1、房间内装有一空调，使空气温度稳定在20℃，问人在屋内，冬天感觉冷还是夏天感觉冷？
2、试说明在多层壁的热传导中确定层间界面温度的实际意义。
3、试说明导热系数、对流传热系数和总传热系数的物理意义、单位和彼此见间的区别。
4、在蒸汽管道内通入一定流量和压强的饱和水蒸气，试分析：
（1）在夏季和冬季中，管道的内壁和外壁温度有何变化？
（2）若将管道保温，保温前、后管道内壁和最外壁温度有何变化？
第五章 蒸馏
【教学目的和要求】:
熟悉两组分理想溶液的相平衡关系，蒸馏原理和方法，两组分连续精馏的计算。
【重点和难点】：
对特定的分离任务确定理论板数是本章的核心；掌握影响精馏过程因素的分析，预估精馏操作及调节中可能出现的问题，提出解决问题的对策是本章的难点。
【教学方法】：
讲授与自学相结合
【教学内容】:
第一节 概述
一、非均相物系与均相物系
二、蒸馏
1、蒸馏的概念
2、蒸馏分离的特点
3、蒸馏过程的分类
第二节 两组分溶液的气液平衡:
一、两组分理想物系的气液平衡
相律和拉乌尔定律、相对挥发度、两组分理想溶液的气液平衡相图、两组分非理想溶液的气液平衡相图。
二、两组分非理想物系的气液平衡
第三节 平衡蒸馏和简单蒸馏。
一、平衡蒸馏
1、物料平衡
2、热量衡算
3、气液平衡关系
二、简单蒸馏
第四节 精馏原理和流程。
一、精馏过程原理和条件
二、精馏操作流程
第五节 两组分连续精馏的计算:
一、理论板的概念及恒摩尔流假定
二、物料衡算和操作线方程
1、全塔物料衡算
2、精馏段操作线方程
3、提馏段操作线方程
三、进料热状况的影响
四、理论板层数的求法
1、逐板计算法
2、图解法
五、几种特殊情况时理论板数的求法
1、直接蒸汽加热法
2、多侧线的塔
六、回流比的影响及其选择
1、全回流和最少理论板层数
2、最小回流比
3、适宜回流比的选择
七、简捷法求理论板层数
1、吉利兰图
2、求理论板层数的步骤
八、塔高和塔径的计算
九、连续精馏装置的热量衡算
第六节 间歇精馏:
一、回流比恒定和馏出液组成恒定时的间歇精馏计算。
第七节 恒沸精馏和萃取精馏
一、恒沸精馏
二、萃取精馏
【思考题】：
1、压强对气液平衡有何影响？
一般如何确定精馏塔的操作压强？
2、在连续精馏塔中分离苯－甲苯两组分理想溶液，原料液流量为７５kmol/h，进料为泡点，其精馏线和提馏线操作线方程为：
y=0.723+0.263，y=1.25x-0.0188，
试求精馏段和提馏段上升的蒸汽量为多少（kmol/h）
3、如何选择进料热状况？
第六章 吸收
【教学目的和要求】:
了解传质机理，掌握吸收速率方程以及低浓度气体吸收的填料层高度的计算。
【重点和难点】：
对特定的吸收任务，确定填料层高度（传质单元数法）是本章的核心，同时应掌握影响吸收过程因素的分析，以解决工业吸收过程中的实际问题。
【教学方法】：
讲授和自学相结合
【教学内容】:
第一节 气--液相平衡:
一、气体的溶解度
加压和降温可提高气体的溶解度；反之，升温和减压则有利于脱吸过程。
二、亨利定律
1、p-x关系
2、p-c关系
3、x-y关系
4、X-Y关系
三、吸收剂的选择
1、溶解度
2、选择性
3、挥发度
4、粘性
5、其它
第二节 传质机理与吸收速率:
一、分子扩散与菲克定律
1、分子扩散
是在一相内部有浓度差异的条件下，由于分子的无规则运动而造成的物质传递现象。
2、菲克定律
描述分子扩散现象的基本定律。
二、气相中的稳定分子扩散
1、等分子反向扩散
2、一组分通过另一停滞组分的扩散
三、液相中的稳定分子扩散
液相中发生等分子反向扩散的机会很少，而一组分通过另一停滞组分的扩散则较为多见
四、扩散系数、
是物质的特性常数之一，可由实验测得，或从有关的资料中查得，有时也可由物质本身的基础物性及状态参数估算。
五、对流传质
1、涡流扩散
2、对流扩散
三、吸收过程的机理
1、双膜理论
2、溶质渗透理论
3、表面更新理论
四、吸收速率方程式
1、气膜吸收速率方程式
2、液膜吸收速率方程式
3、界面浓度
4、总吸收系数及其相应的吸收速率方程式
包括以不同表示方法表示主体浓度与平衡浓度的差额表示的吸收速率方程式
第三节 吸收塔的计算:
一、吸收塔的物料衡算与操作线方程
主要是以逆流塔为例来进行吸收塔的物料衡算与操作线方程的推导。
二、吸收剂用量的决定
根据生产实践经验，一般情况下取吸收剂用量为最小用量的1.1至2.0倍是比较适宜的
三、塔径的计算
四、填料层高度的计算
1、填料层高度的基本计算式
2、传质单元高度与传质单元数
3、传质单元数的求法
常用的方法有图解积分法和数值积分法、解析法及梯级图解法。
五、理论板层数的计算。
第四节 吸收系数
一、吸收系数的测定
二、吸收系数的经验公式
1、用水吸收氨
2、常压下用水吸收二氧化碳
3、用水吸收二氧化硫
三、吸收系数的准数关联式
1、传质过程中常用的几个准数
包括Sh、Sc、Re和Ga四个准数。
2、计算气膜吸收系数的准数关联式
3、计算液膜吸收系数的准数关联式
4、气相及液相传质单元高度的计算式
四、脱吸及其它条件下的吸收。
【思考题】：
1、有一吸收塔，填料层高度为3m，操作压强为101.33Kpa，温度为20，用请水吸收混于空气中的氨。
混合气质量流速G=580kg/（m3.h），含氨6%（体积），吸收率为99%；水的质量流速W=770kg/（m2.h）。
该塔在等温下逆流操作，平衡关系为Y*=0.9X。
KGa与气相质量流速的0.8次方成正比而与液相质量流速大体无关。
试求，当操作压强增大一倍时，填料层高度应如何改变才能保持原来的吸收率。
2、写出气液并流的吸收塔操作线方程并在X-Y图上示意画出相应的操作线。
第七章 蒸馏和吸收塔设备
【教学目的和要求】:
了解塔设各的基本功能、分类及评价指标。
掌握板式塔和填料塔的基本设计思路。
【教学方法】：
讲授与自学相结合
【教学内容】:
第一节 板式塔:
一、塔板类型
按照塔内气、液流动的方式，可将塔板分为错流塔板与逆流塔板两类。
二、板式塔的流体力学性能
1、塔板压降
2、液泛
3、雾沫夹带
4、漏液
5、液面落差
三、浮阀塔设计、
四、塔板效率。
第二节 填料塔:
一、填料
二、填料塔的流体力学性能
三、填料塔的设计
四、填料塔附件。
【思考题】：
1、板式塔中常见的错流塔板有几种？
分别是什么？
2、解释：
液泛、雾沫夹带。
3、综合比较板式塔与填料塔的性能特点，说明板式塔与填料塔各适用于何种场合？
第八章 干燥
【教学目的和要求】：
熟悉湿空气的性质及湿度图。
掌握干燥过程的物料衡算、热量衡算和恒定干燥条件下干燥时间的计算。
了解各种干燥器的适用范围。
【重点和难点】：
本章重点掌握湿空气的性质，会正确应用焓-湿度图确定空气的各状态参数，熟练运用物料衡算及热量衡算解决干燥过程中的问题，同时了解干燥速率的特征，掌握干燥时间的计算。
【教学方法】：
讲授与自学相结合
【教学内容】:
第一节 湿空气的性质及湿度图。
一、湿空气的性质
1、湿度
2、相对湿度百分数
3、比容
4、比热容
5、焓
6、干球温度和湿球温度
7、绝热饱和冷却温度
8、露点
二、湿空气的H-I图
湿空气图的组成：
等湿度线 等焓线 等干球温度线 等相对湿度线 蒸气分压线 H-I图的说明与应用
第二节 干燥过程的物料衡算与热量衡算
一、湿物料中含水量的表示方法
1、湿基含水量
2、干基含水量
二、干燥系统的物料衡算
1、水分蒸发量
2、空气消耗量
3、干燥产品流量
三、干燥系统的热量衡算
1、热量衡算基本方程
2、干燥系统的热效率
四、空气通过干燥器时的状态变化
1、绝热干燥过程
2、非绝热干燥过程
第三节 固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系
一、物料中的水分
1、平衡水分及自由水分
2、结合水分与非结合水分
二、干燥时间的计算
1、恒定干燥条件下的干燥实验和干燥时间
2、恒定干燥条件下干燥时间的计算
3、变动干燥条件下干燥时间的计算
第四节 干燥器:
一、干燥器的主要型式
1、厢式干燥器
2、带式干燥器
3、气流干燥器
4、沸腾床干燥器
5、转筒干燥器
6、喷雾干燥器
7、干燥器的选型及发展方向
二、干燥器的设计
1、干燥
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