《化工原理》教学大纲.docx
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《化工原理》教学大纲
《化工原理》教学大纲
PrinciplesofChemicalEngineering
课程编码:
27A22301学分:
5.5课程类别:
专业基础课
计划学时:
104其中讲课:
72实验或实践:
32
适用专业:
制药工程
推荐教材:
陈敏恒,潘鹤林,齐敏斋,《化工原理》(少学时),华东理工大学出版社,2013年
参考书目:
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.丛德滋,丛梅,方图南,《化工原理详解与应用》,化学工业出版社,2002年
课程的教学目的与任务
《化工原理》是制药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。
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。
课程的基本要求
基本要求如下:
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。
各章节授课内容、教学方法及学时分配建议(含课内实验)
绪论建议学时:
2
[教学目的与要求]了解《化工原理》课程的性质和学习要求。
[教学重点与难点]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;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。
[授课方法]多媒体教学为主,课堂讨论和学生练习相结合。
[授课内容]
第一节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;《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;
第二节《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。
第一章:
流体流动与输送机械建议学时:
12
[教学目的与要求]
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。
[教学重点与难点]流体力学方程、连续性方程、柏努利方程的内容及应用;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。
[授课方法]多媒体教学为主,课堂讨论和学生练习相结合。
开设流体流动阻力实验和离心泵特性曲线实验。
[授课内容]
§1.1 概述
1流体流动的实例
2流体流动的基础概念
3牛顿粘性定律:
流体的黏性,流体的黏度,理想流体与黏性流体。
4流体流动中的机械能
§1.2 流体静力学
1 静力学方程
推导过程、使用条件、物理意义和例题。
2 压强能和位能
3 压强的静力学测量方法
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。
§1.3 流体流动中的守恒原理
1 质量守恒——连续性方程
2 机械能守恒
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 流体流动阻力
1 流动的类型与雷诺数、边界层
1.1 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。
1.2 层流――分子的动量传递
1.3 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
1.4 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。
2流动阻力
2.1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。
2.2 管内层流的摩擦阻力
2.3 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。
2.4 非圆形管的摩擦阻力
层流阻力,湍流阻力。
2.5 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。
§1.5 流体输送管路的计算
1阻力对管内流动的影响
2 管路计算
简单管路、复杂管路的计算。
§1.6 流速和流量的测量
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。
§1.7 流体输送机械
1 管路特性曲线
2 离心泵构造及原理
3 离心泵参数及特性曲线
4 离心泵的安装高度与选用
§1.8往复泵
§1.9气体输送机械
第二章:
传热建议学时:
12
[教学目的与要求]
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。
[教学重点与难点]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,
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;辐射传热的基本概念及两固体辐射传热的计算;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。
[授课方法]多媒体教学为主,课堂讨论和学生练习相结合。
开设传热实验。
[授课内容]
§2.1 概述
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。
§2.2 传热机理
§2.3热量衡算及传热速率方程
1 传热速率方程
2 热量衡算
3 传热基本方程
4 热传导过程
4.1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。
4.2 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
§2.4 对流传热
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。
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。
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。
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 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。
§2.5 辐射传热
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,两固体间的辐射传热。
§2.6 传热过程计算
§2.7 换热器
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。
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。
3 传热过程强化效果的评价
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。
第三章:
非均相机械分离过程建议学时:
10
[教学目的与要求]
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。
[教学重点与难点]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。
[授课方法]多媒体教学为主,课堂讨论和学生练习相结合。
开设恒压过滤实验。
[授课内容]
§3.1 概述
§3.2 沉降分离
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。
2 重力沉降
自由沉降时沉降速度的计算,重力沉降设备。
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。
§3.3 过滤
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。
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 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。
4 恒压过滤
5 恒速过滤与先恒压后恒速的过滤
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。
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。
8 滤饼的洗涤
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。
第四章:
吸收建议学时:
10
[教学目的与要求]
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)。
[教学重点与难点]低组成气体吸收过程的计算方法。
[授课方法]多媒体教学为主,课堂讨论和学生练习相结合。
开设吸收实验。
[授课内容]
§4.1概述
1气体吸收过程与流程
2气体吸收的类型
3吸收剂的选择
§4.2吸收过程的相平衡关系
1气体在液体中的溶解度
2亨利定律
§4.3吸收过程的速率关系
1膜吸收速率方程
2总吸收速率方程
3吸收速率方程小结
§4.4低组成气体吸收的计算
1物料衡算与操作线方程
2吸收剂用量的确定
3塔径的计算
4吸收塔有效高度的计算
§4.5吸收系数
1吸收系数的测定
2吸收系数的经验公式
3吸收系数的准数关联式
§4.6填料塔
1塔填料
2填料塔的流体力学性能与操作特性
3填料塔的内件
第五章:
精馏建议学时:
10
[教学目的与要求]
通过本章学习,掌握精馏的原理,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。
[教学重点与难点]精馏的原理,精馏过程的计算和优化。
[授课方法]多媒体教学为主,课堂讨论和学生练习相结合。
开设精馏实验。
[授课内容]
§5.1概述
1精馏过程的分类
2精馏分离的特点
§5.2两组分溶液的气液平衡
1两组分理想物系的气液平衡
2两组分非理想物系的气液平衡
3气液相平衡的应用
§5.3精馏
1精馏操作流程
2简单精馏
§5.4两组分连续精馏的计算
1理论板的概念和恒摩尔流的假定
2物料衡算与操作线方程
3理论板数的计算
4回流比的影响及选择
5简捷法求理论板数
6几种特殊情况下理论板数的计算
7连续精馏装置的热量衡算与精馏过程的节能
8精馏过程的操作型计算与节能
§5.5两组分连续精馏的核算
1精馏的核算
2精馏塔的温度分布与灵敏板
§5.6板式塔
1塔板的类型及性能评价
2塔板的结构
3板式塔的流体力学特性和操作性能
4板式塔的设计尺寸计算
第六章:
其他传质分离方法建议学时:
8
[教学目的与要求]
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。
[教学重点与难点]传质过程的基本计算方法。
[授课方法]多媒体教学为主,课堂讨论和学生练习相结合。
开设萃取实验。
[授课内容]
§6.1 概述
1传质分离方法
2相组成的表示方法
§6.2质量传递的方式与描述
1分子传质(扩散)
2对流传质
3相际间的传质
§6.3液液萃取
1液液萃取过程
2两相的接触方式
3液液相平衡
4萃取过程的计算
5萃取设备
第七章:
固体干燥建议学时:
8
[教学目的与要求]
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。
[教学重点与难点]湿空气的性质,状态参数及H-I图的应用;干燥过程的物料衡算及热量衡算。
[授课方法]多媒体教学为主,课堂讨论和学生练习相结合。
开设干燥实验。
[授课内容]
§7.1湿空气的性质及温度图
1湿空气的性质
2湿空气的H-I图
§7.2干燥过程的物料衡算与热量衡算
1湿物料的性质
2干燥过程的物料衡算与热量衡算
§7.3干燥速率与干燥时间
1物料中水分的性质
2恒定干燥条件下干燥时间的计算
§7.4干燥器
1干燥器的主要类型
2选择干燥器的依据
3提高干燥器热效率的方法
撰稿人:
路文娟审核人:
刘拥军
教学内容、方式及过程安排
实验一:
流体流动阻力实验(必做)建议学时:
5
[教学目的与要求]学习直管摩擦阻力
、直管摩擦系数
的实验方法;掌握直管摩擦系数
与雷诺数
和相对粗糙度之间的关系及其变化规律;学习局部阻力的测定方法;学习压强差的几种测量方法和技巧;掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。
[教学方式]教师检查预习情况和讲授实验内容,示范操作,现场讨论和指导,实验结束检查数据并签字认可。
[场所及条件要求]6-106、6-107。
流体流动阻力装置。
[作业要求]撰写实验报告,全部解答实验教材思考题。
[注意事项]实验过程中不得在实验室饮食,不得看手机和其他无关书籍等。
实验二:
离心泵特性曲线实验(必做)建议学时:
4
[教学目的与要求]练习离心泵的操作;测定某型号离心泵在一定转速下,H(扬程)、N(轴功率)、(效率)与qv(流量)之间的特性曲线;了解文丘里及涡轮流量计的构造及工作原理;测定节流式流量计的雷诺数Re和流量系数C的关系。
[教学方式]教师检查预习情况和讲授实验内容,示范操作,现场讨论和指导,实验结束检查数据并签字认可。
[场所及条件要求]6-106、6-107。
离心泵特性曲线实验装置。
[作业要求]撰写实验报告,全部解答实验教材思考题。
[注意事项]实验过程中不得在实验室饮食,不得看手机和其他无关书籍等。
实验三:
液-液传热实验(必做)建议学时:
2
[教学目的与要求]掌握套管对流传热系数
的测定方法,加深对其概念和影响因素的理解,应用线性回归法,确定关联式
中常数C、m的值。
掌握列管传热系数K的测定方法。
[教学方式]教师检查预习情况和讲授实验内容,示范操作,现场讨论和指导,实验结束检查数据并签字认可。
[场所及条件要求]6-106、6-107。
液液传热实验装置。
[作业要求]撰写实验报告,全部解答实验教材思考题。
[注意事项]实验过程中不得在实验室饮食,不得看手机和其他无关书籍等。
实验四:
吸收实验(必做)建议学时:
5
[教学目的与要求]了解吸收装置的基本流程和操作特性,加深对传质过程的了解;了解填料塔和板式塔的结构,测定其流体力学性能;通过用水吸收二氧化碳,研究物质传递过程,确立吸收传质系数与操作条件、塔结构及填料性质的关系。
[教学方式]教师检查预习情况和讲授实验内容,示范操作,现场讨论和指导,实验结束检查数据并签字认可。
[场所及条件要求]6-106、6-107。
吸收实验装置。
[作业要求]撰写实验报告,全部解答实验教材思考题。
[注意事项]实验过程中不得在实验室饮食,不得看手机和其他无关书籍等。
实验五:
板式精馏塔性能测定(必做)建议学时:
4
[教学目的与要求]了解板式塔的结构,观察塔内气、液流动状态;测定回流比对精馏操作的影响;测定精馏塔在全回流下的全塔效率及单板效率;测定精馏塔在全回流下的塔体温度分布;测定精馏塔在部分回流下的全塔效率。
[教学方式]教师检查预习情况和讲授实验内容,示范操作,现场讨论和指导,实验结束检查数据并签字认可。
[场所及条件要求]6-106、6-107。
板式精馏塔实验装置。
[作业要求]撰写实验报告,全部解答实验教材思考题。
[注意事项]实验过程中不得在实验室饮食,不得看手机和其他无关书籍等。
实验六:
流化干燥实验(必做)建议学时:
5
[教学目的与要求]了解流化床干燥器的结构特点与操作;测定被干燥物料的床层压降与流速的关系曲线;测定湿物料的干燥曲线;测定湿物料的干燥速度曲线,并确定临界含水量。
[教学方式]教师检查预习情况和讲授实验内容,示范操作,现场讨论和指导,实验结束检查数据并签字认可。
[场所及条件要求]6-106、6-107。
流化干燥实验装置。
[作业要求]撰写实验报告,全部解答实验教材思考题。
[注意事项]实验过程中不得在实验室饮食,不得看手机和其他无关书籍等。
实验七:
过滤实验(必做)建议学时:
5
[教学目的与要求]掌握恒压过滤常数K、
、
的测定方法,加深对K、
、
的概念和影响因素的理解;学习
~q一类关系的实验数据处理方法;掌握恒压过滤设备的操作方法。
。
[教学方式]教师检查预习情况和讲授实验内容,示范操作,现场讨论和指导,实验结束检查数据并签字认可。
[场所及条件要求]6-106、6-107。
过滤实验装置。
[作业要求]撰写实验报告,全部解答实验教材思考题。
[注意事项]实验过程中不得在实验室饮食,不得看手机和其他无关书籍等。
实验八:
萃取实验(必做)建议学时:
2
[教学目的与要求]考察学生对实验原理、仪器操作和数据处理部分的掌握程度,掌握萃取因子的测定方法。
[教学方式]教师检查预习情况和讲授实验内容,示范操作,现场讨论和指导,实验结束检查数据并签字认可。
[场所及条件要求]6-106、6-107。
萃取实验装置。
[作业要求]撰写实验报告,全部解答实验教材思考题。
[注意事项]实验过程中不得在实验室饮食,不得看手机和其他无关书籍等。
成绩考核与评定
实验成绩:
预习报告10%、实验报告60%,作为平时成绩,实验操作30%、作为考试成绩。
预习报告评分细则(百分制):
实验目的20分,实验原理20分,,实验仪器及试剂10分,实验步骤30分,实验数据记录表格及处理方法20分
实验操作及表现(百分制):
通过回答教师提问表现出的对该实验的预习程度20分,实验的参与程度20分,仪器操作的正确性与准确性20分,实验的熟练程度、成功率与正确率30分,实验后仪器试剂整理及参与打扫卫生的表现10分。
实验报告(百分制):
实验目的5分,实验原理10分,试剂和仪器5分,实验步骤10分,数据记录及数据处理20分,结果与讨论10分,思考题20分,原始记录10分,书写10分
修订时间:
2016.3撰稿人:
路文娟审核人:
刘拥军
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