化工原理(principles of chemical engineering)多媒体教学
《化工原理》课程教学大纲
化工原理课程教学大纲课程名称：化工原理英文名称：Principles of Chemical engineering/ Unit operations of Chemical engineering 课程编码：x2030212学时数：96其中实践学时数：16课外学时数：0学分数：6.0适用专业：生物工程一、课程简介《化工原理》将课堂教学、化工单元实验操作与设计型教学内容相结合，使学生掌握化工单元操作各部分的基本原理，掌握流体输送过程的基本理论；掌握气体和液体混合物分离操作的基本理论和实际操作要求，掌握不同单元操作条件对化工单元过程生产效果的影响；掌握传热过程的基本定律和实际生产设备应用；掌握传热，精馏和吸收单元操作所应用典型装置的设计方法；了解本学科领域热点问题；熟悉新型化工单元操作中生物化工生产的典型应用。
最终掌握生物化工生产单元操作有机结合的典型案例及设计方法，了解生产安全相关法律法规，能够针对具体化工单元操作过程，编制完整的具有典型生物工程单元操作的设计方案，培养掌握具有化工基本知识的生物和化工领域的技术人才。
二、课程目标与毕业要求关系表三、课程教学内容、基本要求、重点和难点绪论1、教学内容化工过程与单元操作；《化工原理》课程的性质与任务；2、基本要求了解部分：《化工原理》课程的性质、研究对象、任务与基本内容理解部分：因次、单位制和单位换算掌握部分：物料衡算与能量衡算熟练掌握：无3、重点和难点（1）重点：单元操作及基本特点（2）难点：无第一章流体流动1、教学内容流体概述；流体静力学方程及其应用；流体流动中的守恒原理；流体的流动状态分析；流体的阻力损失原因及阻力计算；简单管路的计算；流速和流量的测定方法。
2、基本要求了解部分：流体概述；流速和流量的测定方法理解部分：流体静力学方程及其应用；流体流动中的守恒原理；流体的流动状态分析；流体的阻力损失原因及阻力计算；简单管路的计算；掌握部分：流体静力学方程及其应用；流体的流动状态分析；简单管路的计算；熟练掌握：流体流动中的守恒原理；3、重点和难点（1）重点：流体静力学方程；连续性方程；柏努利方程；雷诺实验及应用；阻力计算（2）难点：柏努利方程；雷诺实验及应用；阻力计算第2章流体输送机械1、教学内容常用液体输送机械；离心泵的理论压头和实际压头(扬程)，功率和效率；离心泵的气缚与气蚀现象；泵的安装高度、流量调节、泵的选择；离心风机的性能与选择。
化工原理总结
2
2
选取截面：垂直于流向；截面间流体连续；包括 所求物理量；截面上已知量多。
选取基准水平面：便于计算。 单位及压力的表示法：单位统一。 压力表示法：一致，均用绝压或表压。
流体流动阻力计算
直管阻力 局部阻力
' h h h f f f
l hf d le ' hf d
u2 2 u2 u2 2 2
p2 p1 g( z1 z2 )
静力学方程
p p0 gh
压差（力）测量 测量液位高 确定液封高度
静力学方程 应用
U管压差计：p1 p2 ( 0 ) gR
等压面：静止、连通、同一流体内部。
黏度
τ μ （Pa· s） du / dy
流量与流速
qm qV uA wA
18
R
分离因数
2 离心力 2 R uT ur Kc 重力 g gR ut
旋风分离器
d pc
B 3 n p ui
三、过滤
床层特性 空隙率 比表面积
空隙体积 Vb Vb' 床层体积 Vb
ab a(1 )
当量直径
空塔流速 真实速度
Vb de Vb (1 )a (1 )a
N OG
②平均推动力
N OL
Y1 Y2 Ym X1 X 2 X m
③图解积分法：理论、严格
七、填料塔
颗粒型
拉西环
鲍尔环
阶梯环 鞍型
填料
填 料 塔 规整型
丝网波纹 板波纹
附属 装置
填料支承板
液体喷淋装置 液体再分布器
载点与泛点：
Δp/Z kPa/m
化工原理Principles of Chemical Engineering
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参考书目
• 《化工原理》（上、下） 社，1999。 • 化工原理（上、下册），第二版，陈敏恒编，化学 工业出版社，2000年。（或2006年，第三版） • 《化工原理》，谭天恩主编，化学工业出版社，第 三版，2006。 姚玉英 天津大学出版
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化工原理
Principles of Chemical Engineering
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0 绪论
0.1化工过程与单元操作 化工过程与单元操作 0.2物料恒算与能量恒算 物料恒算与能量恒算 0.3 单位制与单位换算
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0 绪论
化工原理课程主要研究化工过程中各种单元操作 0.1 化工过程与单元操作 0.1.1 化工过程
∑Q = ∑Q
I
O
+ QL
(0 − 1)
注意：作热量衡算时，由于焓是相对值，与温 度基准有关，故应说明基准温度。习惯上选0℃ 为基温，并规定0℃时液态的焓为零。
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0.3 单位制与单位换算
一、基本单位与导出单位 基本单位：选择几个独立的物理量，根据方便原 则规定单位； 导出单位：由有关基本单位组合而成。 单位制度的不同，在于所规定的基本单位及单位 大小不同。
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0.1.2 单元操作（Unit Operation） 单元操作（ ） 1 、 单元操作：在化工生产中，具有共同物理操作原 理和设备的过程。 2、单元操作分类： （1）遵循流体动力学基本规律：动量传递 （2）遵循热量传递基本规律：热量传递 （3）遵循质量传递基本规律：质量传递
化工原理完整教材课件
(下标"0"表示标准状态)
(1-3a)
1.2.1.2 气体的密度
或
1.2.2 流体的压强及其特性
垂直作用于单位面积上的表面力称为流体的静压强,简称压强。流体的压强具有点特性。工程上习惯上将压强称之为压力。 在SI中，压强的单位是帕斯卡，以Pa表示。但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为： （2） 压强的基准 压强有不同的计量基准：绝对压强、表压强、真空度。
1.1.2 流体流动的考察方法
流体是由大量的彼此间有一定间隙的单个分子所组成。在物理化学（气体分子运动论）重要考察单个分子的微观运动，分子的运动是随机的、不规则的混乱运动。这种考察方法认为流体是不连续的介质，所需处理的运动是一种随机的运动，问题将非常复杂。 1.1.2.1 连续性假设(Continuum hypotheses) 在化工原理中研究流体在静止和流动状态下的规律性时，常将流体视为由无数质点组成的连续介质。 连续性假设:假定流体是有大量质点组成、彼此间没有间隙、完全充满所占空间连续介质，流体的物性及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。
图１－２压强的基准和量度
1.2.1.2 流体压强的特性
流体压强具有以下两个重要特性： ①流体压力处处与它的作用面垂直，并且总是指向流体的作用面； ②流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关。
熟悉压力的各种计量单位与基准及换算关系，对于以后的学习和实际工程计算是十分重要的。
2 本章应掌握的内容 （1） 流体静力学基本方程式的应用； （2） 连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用条件、解题要点； （3） 两种流型的比较和工程处理方法； （4） 流动阻力的计算； （5） 管路计算。 3. 本章学时安排 授课14学时，习题课4学时。
(完整版)化工原理课件(天大版)
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4. 流体的特征
具有流动性； 无固定形状，随容器形状而变化； 受外力作用时内部产生相对运动。
不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化， 如液体；
可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。 返回 31
13.7
QL 13.7kW
热损失：
100% 6.54%
257.3 47.8
返回 23 03:06:50
例4 非稳定热量衡算举例
罐内盛有20t重油，初温
T1=20℃，用外循环加热法 水蒸气
进行加热，重油循环量
W=8t/h。循环重油经加热
冷 凝
器升温至恒定的100℃后又 水
W=8t/h T3=100℃
基本单位：7个，化工中常用有5 个，即长度（米），质量（千 克），时间（秒），温度（K）， 物质的量（摩尔）
➢ 物理单位 基本单位：长度（厘米cm），质 制（CGS制） 量（克g），时间（秒s）
➢ 工程单 位制
基本单位：长度（米），重量或力 （千克力kgf），时间（秒）
我国法定单位制为国际单位制（即SI制） 返回 11
化工生产过程中，流体（液体、气体）的流动 是各种单元操作中普遍存在的现象。如：
传热 — 冷、热两流体间的热量传递； 传质 — 物料流间的质量传递。 流体流动的强度对热和质的传递影响很大。 强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动 条件和规律。 因此，流体流动成为各章都要研究的内容。流体 流动的基本原理和规律是“化工原理” 的重要基础。
化工原理
82.06 10330 6 3 10 10
848kgf m / kmol K
(b)国际单位
82.06atm cm 3 10330kgf 9.81N R 2 mol K m 1kgf 1m 3 1mol 1 10 6 cm 10 3 kmol K
82.06 10330 9.81 N m 8314 6 3 10 10 kmol K
(2)单位：是因次的具体表示。 如：厘米和米表示长度的单位，克和千克表示质量 的单位。长度、质量是因次，而厘米、米、克和千 克是单位。 (3)单位制度：选定一些彼此独立的物理量及单位作 为基本单位。再利用这些基本单位和其它物理量之 间的联系，用基本单位表示其它物理量，成为导出 单位。
2. 常用的单位
物料衡算可按下列步骤进行： 1、画出流程示意图，标出 物料流向与流量、组成等；
2、用虚线划出衡算范围； 3、定出衡算基准； 4、列出衡算式并求解。
FxF Dx D VxV F D V
2.能量衡算（energy balance） 在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济 指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是 否先进合理的主要指标之一。 能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物 料衡算后才能作出能量衡算。 根据能量守恒定律： 输入的能量=输出的能量+积累的能量
3.经济核算 为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备 的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对 同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到 设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经 济的设计方案。
3 化工生产过程
原料预处理 物理过程 单元操作 化学反应 化学反应过程 反应器 产物后处理 物理过程 单元操作
《化工原理》教学大纲(环境工程专业)
《化工原理》教学大纲课程编号：C018130503课程名称：化工原理课程类型：专业基础课英文名称：Principles of Chemical engineering适用专业：环境工程专业总学时：64（理论58+实验6）学分：4一、本课程的性质、目的和任务《化工原理》是环境工程专业重要的一门必修专业基础课，由“化工原理”理论课和“化工原理实验”组成，其教学目的是使学生掌握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，培养有分析和解决单元操作中各种问题的能力，即在科学研究的生产实验中对设备应具有操作管理、设计、强化与过程开发的本领，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。
本课程的教学任务：本课程兼有工程科学与工程技术的双重教育任务，重在培养工程创新能力。
1.能正确理解各主要单元操作（流体流动、传热、传质）的基本原理、计算方法，了解主要单元操作的典型设备构造、性能和操作原理，并具有设备选型及校核的基本知识。
2.以“三传”现象基本原理为主线，以物料衡算、能量衡算、物系平衡关系、传递速率及经济核算观点5个基本概念为理论依据，理解单元操作通用的学习方法和分析问题的基本思路，掌握基本计算公式的物理意义、应用方法和适用范围；掌握主要单元操作过程及设备的基本计算方法；具有查阅和使用常用工程计算图表、手册、资料的能力。
3.培养理论联系实际的观点方法，在数学模型法基础上进一步掌握“因次分析”为主的实验研究方法，并建立“工艺流程”、“工程装置”、“过程操作”等专业工程概念，为培养分析解决工程实际问题的实验研究技能起过渡桥梁作用，密切联系生产实际运用基础理论知识分析和解决化工单元操作中各种工程实际问题的能力。
4.初步掌握单元操作操作管理、设计、强化与过程开发的基本程序，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。
为化工原理课程设计及专业课学习和今后工作打下坚实的基础。
《化工原理(上)》教学大纲
《化工原理(上)》教学大纲一、课程基本信息二、课程教育目标1．掌握流体流动及传热等化工过程的基本原理和典型设备的构造及性能；2. 通过本课程知识的系统学习，培养学生的工程观点和解决工程实际问题的能力，包括对化工单元操作进行工程计算的能力、正确运用工程图表的能力以及运用技术经济观点分析、解决工程实际问题的能力；3. 通过学习一些处理工程的基本方法，如因次分析法、数学模型法、过程分解法、试差计算法和图解计算法等，使学生具备在不同场合选用不同方法处理工程问题的能力；4. 通过对基本原理、工程计算和典型设备的讲授，培养学生从过程的基本原理出发，观察、分析、综合、归纳众多影响因素，从中找出问题的主要方面，运用所学知识解决工程问题的科学思维能力和创新思维能力；4、通过本课程学习，培养学生的自学能力和独立工作能力，能根据所处理问题的需要，寻找、阅读有关手册、参考书、文献资料并理解其内容。
三、理论教学内容与要求1. 绪论与流体流动概述（2学时）化工过程与单元操作；本课程性质和任务流体流动及输送问题；流体的连续性和压缩性；流体的物性2．流体静力学（2学时）压强的定义、性质、单位及表示方法；静力学方程及应用；液柱压差计3. 流体流动的守恒原理（5学时）流量与流速；定态流动与非定态流动；流体流动的连续性方程；流体流动的机械能衡算；伯努利方程及应用4．流体流动的内部结构（3学时）牛顿粘性定律；流体的粘度；牛顿型流体与非牛顿型流体；雷诺实验；两种流动型态及判据；层流与湍流的特征；管流剪应力分布和速度分布5．流体流动的阻力计算（3学时）直管内流动阻力与量纲分析；摩擦阻力系数；局部阻力损失；当量的概念（当量直径，当量长度）；边界层概念；流动机械能损失计算6. 管路计算与流量测量（4学时）简单管路计算：复杂管路的特点及计算要点；毕托管、孔板流量计、文丘里流量计及转子流量计的测量原理和计算方法7.离心泵（5学时）流体输送机械的作用与分类；离心泵工作原理与主要部件；气缚现象；离心泵性能参数与特性曲线；管路特性方程；工作点的概念和流量调节；安装高度与气蚀现象；离心泵的类型、选用、安装与操作8.其它类型泵与气体输送机械（3学时）往复泵工作原理与结构、性能参数与流量调节、正位移泵特性；旋涡泵、计量泵与旋转泵；离心式通风机工作原理、性能参数与选型计算；罗茨鼓风机；离心式压缩机；真空泵与往复压缩机9.传热概述与热传导（3学时）传热过程在化工生产中的应用；传热的基本方式；工业换热过程；传热速率；傅立叶定律；导热系数及影响因素；一维定态热传导计算（单层与多层平壁、单层与多层圆筒壁）10. 对流传热（4学时）对流传热过程；牛顿冷却定律；对流传热系数及其影响因素；准数方程与准数的物理意义；管内强制对流传热；管外强制对流传热；自然对流传热；蒸汽冷凝传热；液体沸腾传热11. 热辐射（1学时）物体的辐射能力；斯蒂芬-波尔兹曼定律；克希霍夫定律；两灰体间的辐射传热12. 传热过程的计算（5学时）间壁传热过程；热量衡算式；总传热系数计算与分析；串联热阻与控制热阻；污垢热阻；总传热速率方程；平均温度差计算与分析；间壁换热过程计算13. 换热器（2学时）各类工业换热器结构及应用；列管式换热器的参数与流程的选择原则；列管式换热器的设计与选型计算；工业传热过程的强化14. 讨论课（4学时）流体流动计算；传热计算四．实验教学内容与要求1.绪论（2学时）介绍化工原理实验课的研究对象、一般研究方法、特点及数据处理方法2.柏努利演示实验（2学时）实测静止和流动的流体中各项压头及其相互转换;验证流体静力学原理和柏努利方程;实测流体流动压头变化及相应压头损失,确定两者相互之间关系3.雷诺演示实验（2学时）观测雷诺数与流体流动类型关系;观察层流中流体质点的速度分布4.流体阻力实验（4学时）掌握流体流动阻力测定方法,测定直管摩擦阻力系数及局部阻力系数;验证层流区摩擦阻力系数与雷诺数和管子相对粗糙度关系5.离心泵性能实验（4学时）测定离心泵性能曲线并确定最佳工作范围;测定孔板流量计的孔流系数6.强制对流传热膜系数的测定实验（4学时）通过实验确定传热膜系数准数关联式中的系数和指数;分析影响传热膜系数的因素;了解强化传热的途径五．作业每周布置和收交作业，作业每周4~7题，总计60道题左右。
化工原理《化工原理》(47页)
非吸湿性物料:
1.0
0.8
0.6 相对湿度
0.4
0.2
氯化锌 优质纸
木材 烟叶
0
0.1
0.2
0.3
湿含量 X
对流干燥的基本规律 干燥曲线和干燥速率曲线Drying curve and drying-rate c
速
、
干燥曲线和干燥速率曲线
干燥曲线: 预热段(Pre-heat period):
25
新闻纸
-
铁杉木
25
羊毛织物
-
白岭粉
31.8
白岭粉
6.4
速度m/s 1.0 1.0 10.6 2.1 1.5
空气条件 温度℃ 37 32 25 40 49
相对湿度% 0.10 0.15 0.40 0.40 -
临界湿含量 kg水/ kg干料
0.11 0.13 0.17 0.181 1.25
0.10
3.5
53
0.15
0.053
3.5
55
0.17
0.053
0
19
0.35
1.00
4.0
22
0.34
1.28
-
25
-
0.31
1.0
39
0.20
0.084
1.0
37
-
0.04
第三节干燥过程的计算
1.恒定干燥条件下干燥时间的计算 恒速干燥段的干燥时间
题归结为气固对流给热系数 α的求取。
恒速干燥段的干燥时间
(1) 空气平行流过静止物料层的表面
物料
品种
厚度mm
粘土
6.4
粘土
化工原理-干燥
干燥曲线和干燥速率曲线
干燥曲线：物料湿含量 X 与干燥时间 的关系曲线。
ps
19.92
湿比容H (Humid volume) 或干基湿比容 (m3/kg绝干气体)
1kg 绝干气体及所含湿份蒸汽所具有的体积
vH
1 29
H 18
22.4
t
273 101.325
273
P
(0.287 0.462H ) t
273 P
常压下(P=1013.25kN/m2) ： vH (0.002835 0.004557 H )(t 273)
显热项
汽化潜热项
对于空气-水系统： IH (1.005 1.884 H )t 2491 .27H
干燥过程的基本规律
物料湿分的表示方法
湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。
湿基湿含量 w：单位质量的湿物料中所含液态湿分的质量。
w
物料所含液态湿份的质量 湿物料的质量
WT Gc WT
干基湿含量 X：单位质量的绝干物料中所含液态湿分的质量。
对于空气-水系统：
H 0.622 ps P ps
H 0.622 pv P pv
相对湿度（Relative humidity）
➢ 若 t < 总压下湿份的沸点，0 100%；
➢ 若 t >总压下湿份的沸点，湿份 ps> P，最大 (气体全为湿
份蒸汽) < 100%。故工业上常用过热蒸汽做干燥介质；
化工原理多媒体教学课件
1 . 化学工程学科中的基本概念
化工单元操作的分类 根据单元操作的理论基础进行的分类
1）以动量传递(momentum transfer)理论为基础： 流体流动、流体输送机械、沉降、过滤、搅拌、固体流态化 等
2）以热量传递(heat transfer)理论为基础： 加热、冷却、蒸发 等 3）以质量传递(mass transfer)理论为基础： 吸收、精馏、萃取、干燥 等
产过程与设备计算的工程技术学科。
化学工程：研究以化学工业为代表的过程工业中有关化学过程 和物理过程的一般原理和共性规律，解决过程和装置的开发、 设计、操作及优化的理论和方法问题。
化工单元操作：(unit operation of Chemical Engineering)：
一物理性的化工基本操作过程。 任何一种化工过程(chemicals production process)均是由若干化工单 元操作及化学反应过程有机组合而成。
流体中发生的这三种传递现象(transport phenomena)都是由于
流体质点的运动和分子扩散运动所产生的结果。
流体流动： 研究流体流动的规律，完成流体输送的任务。
流体输送机械：研究流体输送机械的性能特点，进行正确的选用及安装。
沉降：利用密度差，从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒、液滴或气泡。
过滤：根据尺寸不同的截留，从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒。
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。