化工原理教学大纲---青岛科技大学

化工原理教学大纲---青岛科技大学
课程编号：0101101
化工原理Ⅰ
Principles of Chemical Engineering
总学时：48
总学分：3 课程性质：技术基础课
开设学期及周学时分配：第4学期，每周3学时
适用专业及层次：化学工程与工艺、轻化工
程、生物工程、生物技
术、制药工程、药物制
剂专业本科
相关课程：高等数学、物理化学、分离工程、传递过程原理等
教材：夏青、陈常贵编著，化工原理（上册），天津大学出版社，2005年
推荐参考书：
[1] 谭天恩、丁惠华等编著，化工原理，化学工业出版社，2000年
[2] 赵汝溥、管国锋编著，化工原理，化学工业出版社，1999年
[3] 陈敏恒、丛德滋等编著，化工原理，化
学工业出版社，2001年
[4] 赵文、王晓红等编著，化工原理，石油大学出版社，2001年
一、课程目的与要求
本门课程的目的是为学生今后学习相关的专业课程打好工程技术理论基础，并使他们受到必要的基本工程技能训练。

本门课程的任务是使学生初步掌握化工过程的基本原理，以三种传递原理为主线，以物料衡算、能量衡算、平衡关系、传递速率等基本概念为理论依据，使学生掌握典型单元操作通用的学习方法和分析问题的思路，培养理论联系实际的观点，进行典型单元操作设备的设计、操作及选型的计算，并进行基本实验技能和设计能力的训练，以增强学生解决工程实际问题的能力。

化工原理属于工程学科，要求通过本门课程的学习，培养学生工程技术观点及独立分析和解决实际工程问题的能力。

二、课程主要内容及学时分配
0绪论（1学时）
化工单元操作的历史梗概；本课程的性质及物料衡算与热量衡算等化工原理研究方法。

1流体流动（15学时）
1.1流体的物理性质
1.2 流体静力学方程式（2学时）
密度、压力、流体静力学基本方程式、静力
学方程的应用（液柱压差计、液封、液面测
量）。

1.3 流体流动基本方程（3学时）
流量与流速、定态流动与非定态流动、
连续性方程、柏努利方程、柏努利方程
的应用。

1.4 流体流动现象（2学时）
牛顿粘性定律、粘度、非牛顿型流体、
流动型态和雷诺准数、管内层流与湍流
的比较、边界层概念。

1.5 管内流动阻力损失（4学时）
阻力计算通式、圆形直管内层流流动阻
力损失、因次分析法、圆形直管内湍流
流动损失、非圆形管内流动阻力、局部
阻力。

1.6 管路计算（2学时）
管路计算的类型和基本方法（设计型和
操作型）、试差法、复杂管路计算（分支、
并联）。

1.7 流量测量（2学时）
测速管、孔板流量计、转子流量计。

2 流体输送机械（7学时）
2.1 离心泵（5学时）
离心泵工作原理及主要构件、基本方程
式、主要性能参数、特性曲线、安装高
度、工作点及流量调节、组合操作、类
型与选用。

2.2 其他类型泵（1学时）
往复泵、计量泵、隔膜泵、齿轮泵、旋涡泵。

2.3 气体输送机械（1学时）
离心式通风机、鼓风机、压缩机、旋转鼓风机、往复压缩机、真空泵。

3 非均相物系的分离和固体流态化（5学时）3.1颗粒及颗粒床层的特性（1学时）
颗粒、颗粒床层的特性、流体通过床层的压降
3.2 沉降分离（2学时）
重力沉降、离心沉降
3.3 过滤（1学时）
过滤基本概念、基本方程式、恒压过滤、恒速过滤及过滤设备
3.4 固体流态化（1学时）
流态化的基本概念、流化床的主要特征及操作特性
4 传热（16学时）
4.1 概述
4.2 热传导（2学时）
付立叶定律、导热系数、平壁和圆筒壁的定态热传导。

4.3 对流传热（4学时）
对流传热分析、传热边界层、对流传热系
数的影响因数、因此分析在对流传热中的
应用、流体作强制对流和自然对流时的对
流传热系数、蒸汽冷凝和液体沸腾时的对
流传热系数。

4.4 传热过程计算（4学时）
总传热速率方程、热量衡算、总传热系数、
平均温度差、传热面积、传热单元数法。

4.5 对流传热系数关联式（2学时）
影响对流传热系数的因素、流体有相变、
无相变时的对流传热系数
4.6 辐射传热（2学时）
基本概念、物体的辐射能力、物体间的辐射传热、对流和辐射的联合传热。

4.7 换热器（2学时）
换热器类型、换热器传热过程的强化途径、列管换热器的设计和选用。

5 蒸发（4学时）
5.1 蒸发设备（1学时）
蒸发器结构、辅助设备及选型
5.2 单效蒸发（2学时）
溶液沸点和温度差损失、单效蒸发计算、蒸发器的生产能力和生产强度
5.3 多效蒸发（1学时）
多效蒸发的操作流程、计算、与单效蒸发的比较及提高经济性的手段
三教学重点与难点
1 流体流动
本章重点：
（1）静力学基本方程的意义及应用
（2）连续性方程、柏努力方程的物理意
义、适用条件、应用柏努力方程解题
的要点和注意事项。

（3）雷诺准数的意义及流动型态的判断
（4）管路系统总能量损失的测量及计算（包括相关数据的获得）
本章难点：
柏努力方程的应用，运用静力学方程解题时等压面的选取为本章难点。

2 流体输送机械
本章重点：
（1）离心泵的基本结构、工作原理及离心泵特性曲线的应用
（2）掌握离心泵汽蚀现象的定义和安装高度的计算，了解操作特性、安装及选型。

本章难点：
离心泵基本方程式的推导
3 非均相物系的分离和固体流态化
本章重点：
（1）沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算和相关典型设备的选型。

（2）过滤操作的原理，恒压过滤的计算、过滤常数的测定。

（3）固体流态化的基本概念、流化床的主要特征及操作特性。

本章难点：
如何将理论上讨论的颗粒与流体间相对运动问题，运用于实现非均相物系分离、固体流态化技术及固体颗粒的气力输送等工业过程。

4 传热
本章重点：
（1）单层、多层平壁热传导速率方程，单层、多层圆筒壁热传导速率方程及其应用。

（2）换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算，用平均温度差
法进行传热计算。

（3）对流传热系数的影响因素及因次分析法。

本章难点：
对于传热单元数法的理解和运用；换热器的设计计算
5 蒸发
本章重点：
掌握单效蒸发中关于溶液的沸点和温度差及生产能力和生产强度的计算。

本章难点：
本章无难点
四主要教学方法
（1）在讲授每一章、每一节时，先用框图、表格、自行总结和提炼的几句话等形式简
明扼要地向学生讲清本章、本节、本次课
的主要内容，知识体系，教学思路、知识
的前后联系，以及重点、难点、注意事项
等，让学生在学习具体内容前先有一个整
体上轮廓式的了解，做到心中有数，听课
有针对性。

（2）关键是突出重点、破解难点。

把重点和难点讲清、讲透。

（3）每讲完一节、一章后引导学生及时进行归纳总结、搞清知识点之间的联系，搞清
理论在实际生产中的应用，注重理论联系
实际，起到举一反三、触类旁通的作用。

（4）坚持以课堂教学为主，同时结合采用投影、实物模型、电化教学、多媒体CAI课件等
教学手段进行辅助教学，以不断提高教学
效果。

五典型作业练习
第一章流体流动
1．如图所示，在两个压强不同的
密闭容器A，B内充满了密度
为的液体，两容器的上部与
下部分别连接两支规格相同
的U行管水银压差计，连接
管内充满密度为的液体。

试
回答：
（1）p M和p N的关系；
（2）判断1-2，2-3，3-4及5-6，6-7，7-8等对应截面上
的压强是否相等；
（3）两压差计读数R与H的关系。

2．本题附图所示为一输水系统，高位槽的水面维持恒定，水分别从BC与BD两支管排
出，高位槽液面与两支管出口间的距离为
11m。

AB管段内径为38mm、长为58m；BC
支管的内径为32mm、长为12.5m；BD支
管的内径为26mm、长为14m，各段长均包
括管件及阀门全开时的当量长度。

AB与
BC管段的摩擦系数均可取为0.03。

试计
算：（1）当BD支管的阀门关闭时，BC
支管的最大排水量为若干，m3/h？（2）
当所有的阀门全开时，两支管的排水量各
为若干，m3/h？BD支管的管壁粗糙度可
取为0.15mm，水的密度为1000kg/m3，粘
度为0.001Pa·s。

第一章流体输送机械
1．用4B15型的离心泵将常压、20℃的清水送往A、B两槽，其流量均为25m3/h，主
管段长50m，管内径为100mm，OA与OB
段管长均为40m，管内径均为60mm（以
上各管段长度包括局部阻力的当量长
度，OB段的阀门除外）。

假设所有管段
内的流动皆进入阻力平方区，且摩擦系
数λ=0.02。

分支点处局部阻力可忽略。

试求：
（1）泵的压头与有效功率；
（2）支路OB中阀门的局部阻力系数ζ；
（3）若吸入管线长（包括局部阻力当量
长度）为4m，泵的允许吸上真空度为
5m，试确定泵的安装高度。

第二章机械分离及固体流态化
1．在0.04m2的过滤面积上以1×10-4m3/s的速率进行恒速过滤试验。

测得过滤100s
时，过滤压力为3×104Pa；过滤600s时，
过滤压力为9×104Pa。

滤饼为不可压缩。

今欲用框内尺寸为635×635×60mm的板
框过滤机处理同一料浆，所用滤布与试验
时的相同。

过滤开始时，以与试验相同的
滤液流速进行恒速过滤，在过滤压力达到
6×104Pa时改为恒压操作。

每获得1m3滤
液所生成的滤饼体积为0.02m3。

试求框内
充满滤饼所需的时间。

第三章传热
1. 有一套管换热器，长为6m内管内径为
38mm。

环隙间用110℃的饱和水蒸气加热
管内湍流的空气（Re>104）。

空气由25℃
被加热到60℃。

若将内管改为
f25×2.5mm，而长度仍为6m，试计算能
否完成传热任务。

若欲维持气体出口温
度，定性分析可采取的措施（计算时可作
合理简化）。

2. 有一单程列管式换热器，内装有
f25×2.5mm的钢管300根，管长为2m。

要求将质量流量为8000kg/h的常压空气
于管程由20℃加热到85℃，选用108℃
的饱和蒸气在壳方冷凝加热。

若蒸气的冷
凝传热膜系数为1×104W/m2·K，忽略管
壁及两侧污垢热阻和热损失。

已知空气在
平均温度下的物性常数为Cp
=1kJ/kg·K，l=2.85×10-2W/m·K，
m=1.98×10-5Pa·s，Pr=0.7。

试求：（1）空气在管内的对流传热系数；
（2）换热器的总传热系数（以管子外表面为基准）；
（3）通过计算说明该换热器能否满足需要；
（4）计算说明管壁温度接近哪一侧的流体温度。

3. 有一列管换热器由f25×2.5mm的120 根
钢管组成。

110℃的饱和水蒸气在壳方冷
凝以加热在管内作湍流流动的某液体，且
冷凝水在饱和温度下排出。

已知液体平均
比热为4.187 kJ/kg·℃，由15℃加热到
90℃。

管内对流传热系数为
ai=800W/m2·℃，蒸气冷凝的对流传热系
数ao=1.1×104W/m2·℃，忽略污垢热阻、
壁阻和热损失，每小时收集冷凝水
2100kg，在饱和温度下蒸气冷凝潜热
g=2232kJ/kg，试求：
（1）每小时可处理的液体量；
（2）管程单程时的列管有效长度；
（3）其它条件均保持不变，将120根钢管改为两管程，列管有效长度为多少。

第四章蒸发（无计算要求）
六课程考核方式
本课程的理论课采用期末闭卷笔试的方式考核。