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《化工原理》教学大纲

大纲说明

课程的性质、目的与任务：化工原理课程是一门工程类技术基础课，其内容包括理论基础、工程基础和工程应用。课程的教学目的在于化工生产过程的组织、基本理论及过程分析、设备原理及构造、工程设计方法以及单元过程操作运行情况诸方面对学生进行全面的综合训练，以达到培养学生相应的分析工程实际问题和解决工程实际问题的能力。

 

课程教学的基本要求：通过本课程的教学应达到以下基本要求：（1）掌握各单元操作的基本概念和原理；（2）掌握各单元操作典型设备的结构、原理、特点；（3）能对各单元操作过程及设备进行常规的设计和计算；（4）能运用过程的基本原理正确分析影响单元操作的主要因素；（5）掌握有关的实验原理、方法和装置，并能进行正确操作。

 

教学方法和教学手段的建议：坚持理论联系实际的原则，理论教学与实验教学相结合；课堂教学以传统的教学手段与多媒体、录象等现代化教学手段相结合，课堂上以教师讲授与学生讨论相结合；实验教学以计算机仿真与实际操作相结合，努力拓宽学生的知识面，提高学生的实践动手能力。

 

大纲的使用说明：本大纲自2014年起试行，适用于生物工程（本科）专业，生化学院其他相近本科专业可根据专业实际情况作适当调整。在执行过程中，可根据学生具体情况对授课内容做相应调整。

 

大纲正文

  第一章：绪  论                                     

基本要求：介绍本课程的性质、目的和任务，了解本课程的研究方法，熟悉本课程的单位和单位换算，掌握物料衡算和热量衡算。

重点：单位换算、物料衡算、热量衡算

难点：热量衡算

教学内容：（1）介绍化工原理课程的性质、目的、任务和研究方法

（2）讲述单位和单位换算

（3）讲解物料衡算及应用

（4）讲解热量衡算及应用

习题：选择有代表性的书后习题共2-3题。

 

第二章：流体流动                         学时：

基本要求：掌握流体静力学基本方程及其应用；掌握流体流动的质量衡算和机械能衡算概念，熟练掌握连续性方程和柏努力方程及其应用；理解牛顿粘性定律、层流和湍流以其边界层概念；掌握因次分析方法；熟练掌握简单管路、并联管路和分支管路的计算；掌握流速、流量的测定原理和方法。

重点：机械能守恒方程及其应用；流动型态；边界层概念 ；因次分析法。

难点：机械能的守恒和转换；边界层分离。

    教学内容：

第一节 ：流体静止的基本方程

            介绍流体密度、压力等基本概念，讲解流体静力学基本方程及其应用

第二节 ：流体流动的基本方程

            介绍物料衡算和机械能衡算概念，讲解连续性方程和柏努力方程及其应用

第三节：流体流动现象

            介绍牛顿粘性定律、层流和湍流以其边界层概念，对比层流和湍流的特性

第四节：管内流动的阻力损失

            讲解直管阻力计算的通式，介绍因次分析方法，讲解湍流时的阻力计算方法

第五节：管路计算

            讲解简单管路、并联管路和分支管路的计算方法

第六节：流量测量

            介绍流速、流量的测定原理和方法

习题：选择有代表性的习题共15-18题。

 

第三章：流体的输送机械                             学时：

基本要求：理解流量、压头、功率和效率的物理概念；熟练掌握离心泵的特性曲线及其应用；熟练掌握离心泵安装高度的计算；掌握离心泵的流量调节方法和选型方法。

重点：离心泵的特性和选用。

难点：离心泵的基本方程；离心泵的安装高度。

教学内容：

第一节：离心泵

            介绍离心泵的操作原理、构造与类型，理解气缚和汽蚀现象；介绍离心泵的流量、压头、功率和效率的物理概念；讲解离心泵的特性曲线及其应用；讲解离心泵安装高度的计算方法；讲述离心泵的流量调节方法和选型方法。

第二节：其它类型泵

            介绍其它类型泵的操作原理和选用原则。

第三节：通风机、鼓风机、压缩机和真空泵

介绍离心式通风机、鼓风机、往复式压缩机以及几种真空泵的操作原理和基本构造。

习题：选择有代表性的书后习题共3-4题。

 

第四章  传  热                           学时：

基本要求：理解一维稳态傅立叶定律，熟练掌握一维稳态导热的计算；理解两流体通过固体间壁传热的概念；熟练掌握传热速率方程、热量衡算方程和传热系数的计算；理解对流传热的概念以及牛顿冷却定律；理解对流传热膜系数的准数方程式，并能分析各种因素对不同情况下对流传热的影响。

重点：对流传热和对流膜系数α；传热速率方程。

难点：对流传热的概念；对流膜系数的研究方法；传热速率方程和热量衡算式之间的关系；传热单元数。

教学内容：

第一节：概述

            介绍传热在化工中的应用及传热的三种基本方式

第二节：热传导

            介绍一维稳态傅立叶定律，讲解一维稳态导热的计算方法

第三节：两流体间的热量传递

            介绍两流体通过固体间壁传热的概念；讲解传热速率方程、热量衡算方程和传热系数的计算方法。介绍传热效率概念和传热单元数法。

第四节：对流与对流传热系数

            介绍对流传热的概念以及牛顿冷却定律；讲解对流传热膜系数的准数方程式，分析各种因素对不同情况下对流传热的影响。

第五节：辐射传热

介绍热辐射概念，讲解两固体间的辐射传热的计算和设备热损失的计算方法。

习题：选择有代表性的书后习题共16-18题。

 

 

第七章：吸  收                           学时：

基本要求：熟练掌握气体在液体中溶解度的表示方法和亨利定律的三种形式；熟练掌握吸收速率方程、总传质系数和传质分系数之间的关系；熟练掌握吸收塔物料衡算和操作线方程；熟练掌握低浓度气体吸收塔溶剂用量和填料层高度、理论塔板数的计算。

重点：气体在液体中的溶解度；吸收速率方程；吸收塔的计算

难点：吸收速率方程；总传质系数和传质分系数的关系

    授课内容：

第一节：概述

            介绍工业生产中的吸收过程、吸收的流程和溶剂

第二节：有关吸收的基本理论

            讲解气体在液体中的溶解度和亨利定律的三种形式，讲述传质速率方程

第三节：吸收（或脱吸）塔的计算

            讲解吸收的物料衡算，着重讲解填料层高度计算（低浓度气体），介绍传质单元、吸收塔的操作型问题和脱吸（解吸）方法

第四节：其他类型吸收

            介绍多组分吸收、化学吸收、非等温吸收的基本概念

第五节：传质系数和传质理论

            介绍双膜、渗透、表面更新这三种传质模型以及一些传质系数的关联式

习题：选择有代表性的书后习题共8-10题。

 

第八章  蒸  馏                           学时：

基本要求：熟练掌握理想系统相平衡的计算；理解精馏过程原理；熟练掌握双组分混合液连续精馏的操作线、进料线方程，理解各种进料状态对操作的影响；熟练掌握用M-T图解法和逐板计算理论塔板数；理解回流比的选取原则，理解操作优化概念；掌握精馏塔的热量衡算方法。

重点：二元物系连续精馏塔的分析和计算；适宜回流比的确定以及对精馏操作的影响

难点：精馏原理

    教学内容：

第一节：二元物系的汽液平衡

            介绍双组分混合液的汽液平衡概念，讲解理想系统相平衡的计算

第二节：蒸馏方式

            介绍简单蒸馏、平衡蒸馏的基本概念，讲述其计算方法，讲解精馏过程的原理

第三节：二元连续精馏的分析和计算

            介绍精馏的物料衡算，讲解双组分混合液连续精馏的操作线、进料线方程；讲述各种进料状态对操作的影响；讲解用M-T图解法和逐板计算理论塔板数；介绍总板效率和实际板概念，讲解实际塔板数的计算方法；介绍回流比的选取原则和操作优化的概念；介绍用捷算法求理论塔板数；讲解精馏塔的热量衡算方法。

第四节：其他蒸馏方式

介绍水蒸汽蒸馏、间歇精馏、恒沸精馏、萃取精馏、多元精馏的基本概念；

习题：选择有代表性的书后习题共6-10题。

 

第九章  气液传质设备（自学）                            

基本要求：理解塔板和填料的流体力学性能及其操作极限；初步掌握塔设备的基本设计方法。

重点：板式塔和填料塔的流体力学性能；操作极限和设计方法。

难点：板式塔和填料塔的操作极限。

教学内容：

第一节：板式塔

            介绍板式塔的典型结构、分类和特点；介绍不同类型的塔板结构特点；讲述塔板的流体力学性能及其操作极限；讲解塔设备的基本设计方法；介绍板效率的预测方法和总板效率的经验关联式

第二节：填料塔

介绍填料塔的典型结构、分类和特点；介绍不同类型填料的结构特点；讲解填料的流体力学性能及其操作极限

 

第十章  固体干燥（自学）                     

基本要求：熟练掌握湿空气的性质、T-H图及其用法；熟练掌握空气对流干燥器的物料衡算和热量衡算方法；理解干燥机理、湿分性质，熟练应用干燥曲线计算恒定干燥条件下的干燥速度和干燥时间。

重点：湿空气的性质、湿度图及其应用；干燥静力学（物料衡算和热量衡算）；恒定干燥条什下的干燥速度和干燥时间计算；干燥机理分析。

难点：绝热饱和温度和湿球温度；降速干燥阶段的干燥机理。

    教学内容：

第一节：湿空气的性质及湿度图

            介绍湿空气的性质，讲解T-H图及其用法

第二节：干燥器的物料衡算和热量衡算

            介绍空气干燥器的操作原理，讲解空气对流干燥器的物料衡算和热量衡算方法

第三节：干燥速度和干燥时间

            介绍干燥机理、湿分性质，讲解用干燥曲线计算恒定干燥条件下的干燥速度和干燥时间

第四节：干燥器

            介绍各种常用干燥器的操作原理、结构特点及其应用；

 

本课程对学生自学的要求：本课程是一门综合性很强的学科，而学时数在逐年减少，为了提高教学效果，应在课前作适当预习，课后作必要的复习。由于本课程是学生第一次接触工程问题，难度大，牵涉的问题又多，因此，应安排较多的习题课和课外习题，使学生能真正理解、消化和巩固课堂讲授的知识和技能。

1．本课程的作业特点：

    （1）作业量大，每次课后都有2－4题作业。教师应根据当堂课的内容和要求学生掌握的深广度，布置相应类型和一定数量的课外作业。完成课外作业的时间应约占课外学习时间的2／3左右。课内外学时比为1：2。

    （2）随着学习的深入，作业的难度和计算量不断增加。有些作业几乎相当于一个阶段设计。因此要注意循序渐进，由浅入深，通过多种教学形式对学生进行具体指导。

    （3）作业的工程实践性很强，从命题、数据到计算结果。都要以工程实践为依据。要避免数字游戏和脱离实际的作业。

2．对学生作业的要求：

按时完成作业，要独立思考，不得抄袭。要按一定格式书写, 实行作业规范化。对不符合要求的作业，要退回重做。每周至少交作业一次。对不按时交作业的学生，按学生守则规定处理。

3．对教师批改作业的要求：

对每次作业都应认真审阅和批改，并及时发给学生。批改时应指明错误之处，要求学生订正。在每次批改后应对学生讲解作业中的典型错误及改正方法。作业应记成绩，并以一定比例（20％左右）记入学期总成绩。

 

 

课程考核方式与评分说明：

1．本课程为考试课程，每学期安排期中考试一次，期末考试一次，如有必要，可增加1-2次阶段测验（形式为笔试或上机概念题测试）。期中、期末考试一般都以笔试形式进行，实行教考分离，出卷应主要采用全国化工原理试题库，以提高考试成绩的客观性。

    2．评分说明：以百分制记分。期中考试成绩约占20％，平时占10%-20％，期末考试成绩约占60％－70％。一般应控制不及格率为10%-20%左右，可视考试难度调节相对不及格标准。

 

教材：

王志魁编著，化工原理 (修订版)[M]，北京：化学工业出版社，2003年。

主要参考书：

（1）谭天恩、窦梅、周明华编著，化工原理（上下册）(第三版)[M]，北京：化学工业出版社，2006年。

（2）陈敏恒编，化工原理(第三版) [M]，北京：化学工业出版社，2006年。

（3）姚玉英主编，化工原理（上下册）修订版[M]，天津：天津科学技术出版社，2004年。

（4）MaCabe，Smith，Unit Operation of Chemical Engineering[M].