北京化工大学

化工原理(上)

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课程概述

     “化工原理”是化工及相近专业课程体系中非常重要的一门专业基础课,是基础课与专业课之间的桥梁。前修课程有:高等数学、普通物理和物理化学。

    以化学工业生产中的物理加工过程为对象,化工原理课程研究若干“单元操作”的基本原理、典型单元设备的结构与工作原理、单元设备的设计与选型、单元设备的操作与调节等问题。


    化工原理(上)主要内容如下:

   第1单元 流体流动

      1.0 流体流动概述

      1.1 基本概念、名词、物理量

      1.2 流体流动的内部结构

      1.3 流体流动的守恒方程及应用

      1.4 流体流动阻力

   第2单元 流体输送

     2.0 引言

     2.1 离心泵

     2.2 其他类型泵

     2.3 气体输送设备

     2.4 流体输送问题的解决

     2.5 流量测量

    第3单元 颗粒与流体的相对运动

      3.1 颗粒与流体的相对运动

      3.2 沉降

      3.3 过滤

    第4单元 传热

      4.1 传热概述

      4.2 热传导

      4.3 对流传热

      4.4 热辐射

      4.5 传热设备

      4.6 传热问题的解决


    通过对以上内容的讨论,化工原理不仅回答关于单元操作的“是什么”“为什么”,更要回答“怎么办”。具体地说,要回答下面三个问题:

  (1)如何在多种单元操作中选择一种合适的,完成一项生产任务;

  (2)如何进行单元设备的设计;

  (3)如何正确操作一台单元设备,如何正确调节其运行工况。

证书要求

1. 完成课程所有内容的学习;

2. 参与课堂讨论,占10%;

3. 单元测验,占20%(共4次,每次约20个单选题);

4. 单元作业,占20%(共4次,采用学生互评,不参与互评的同学最多可得到所给分数的50%,未完成互评的同学最多可得到所给分数的80%);

5. 考试,50%。

60分以上为合格,可以获得证书;

85分以上为优秀,可以获得优秀学员证书。


预备知识

高等数学

普通物理

授课大纲

周次

章(单元)

视频

学习目标(掌握熟悉、了解)

第1周

绪论

绪论

绪论

化工生产过程与单元操作课程的基本内容及能回答的问题

第1章 流体流动

1-0 概述

(1)流体流动概述

研究的必要性;基本观点和考察方法

1-1 基本概念和物理量

(2)基本概念和物理量

流体流动中的作用力;密度与可压缩性;流量与流速

1-2流体流动内部结构

(3)流体的黏性和黏度

黏性及其本质;牛顿黏性定律黏度

(4)流体流动型态

雷诺实验现象雷诺实验结论;对湍流的进一步认识

(5)管内流体流动的数学描述

剪应力分布层流时速度分布、平均流速和平均动能;湍流速度分布规律

(6)流体流动边界层

边界层理论的基本思想;边界层的形成、发展;圆管进口段流动

第2周

1-3流体流动守恒方程

(7)管流的质量守恒方程

质量守恒方程

(8)机械能衡算式

流体的机械能;理想流体沿轨线、流线和管流股的机械能守恒黏性流体的机械能衡算式

(9)机械能衡算式的讨论

机械能衡算式三种形式、两个基准机械能守恒和转换流动条件和流向判据有效功率的计算

(10)流体静力学方程

方程的建立及说明;静力学方程的应用

(11)机械能衡算式应用举例

应用质量守恒方程、机械能衡算式和U形压差计公式解决流体流动问题

第3周

1-4流体流动阻力

(12)直管阻力计算通式

范宁公式

(13)直管内层流流动阻力

Poiseuille方程;层流时直管摩擦系数与雷诺数的关系

(14)直管内湍流流动阻力

工程问题的实验研究方法;管内湍流的摩擦系数非圆形直管内的流动阻力

(15)局部阻力

局部阻力的产生;局部阻力计算方法

1-5 本章总结

(16)本章总结

 

第4周

第2章 流体输送

2-0引言

(1)引言

理解流体输送设备的作用;流体输送设备的分类

2-1离心泵

(2)离心泵的结构和工作原理

离心泵的主要部件和结构;工作原理;离心泵的分类

(3)离心泵的性能参数和特性曲线

离心泵的理论压头和基本方程;离心泵的性能参数、特性曲线及影响因素

 

(4)离心泵的工作点和流量调节

管路特性方程(曲线);离心泵的工作点;离心泵的流量调节

第5周

(5)离心泵的组合操作

组合操作的必要性、串联组合、并联组合、组合方式的比较

(6)离心泵的安装高度

汽蚀现象;汽蚀余量;最大允许安装高度;离心泵的安装与操作

2-2 其它类型泵

(7)往复泵

往复泵的结构和工作原理;往复泵的特性;往复泵的适用场合、操作要点和流量调节

(8)旋转泵和其他泵

齿轮泵;螺杆泵;轴流泵和漩涡泵

第6周

2-3 气体输送设备

(9)通风机和鼓风机

离心式通风;轴流风机;离心式鼓风机;罗茨鼓风机

(10)压缩机

往复式压缩机离心式压缩机

2-4流体输送问题的解决

(11)管路分析

简单管路;复杂管路

(12设计型问题

管径的确定;外加机械能(或位差、压差)的确定;输送设备的选型

第7周

(13操作型问题

求简单管路流量试差法复杂管路的计算

2-5 流量测量

(14)孔板和文丘里流量计

孔板结构及压强变化分析;流量公式与孔流系数;流量公式的使用孔板的设计与安装文丘里流量计

(15)转子流量计

结构和工作原理;流量公式标定校正转子流量计与孔板流量计的比较

2-6 单元总结

(16)本章总结

 

第8周

第3章 颗粒与流体的相对运动

3-1 颗粒与流体的相对运动

(1)颗粒和颗粒群的特性

单颗粒的特性描述;颗粒群的特性

(2)流体流过固定床

固定床特性描述;流体流过固定的压降

(3)颗粒在流体中的沉降

基本认识;沉降运动的阻力;沉降速度的计算

(4)颗粒流态化

颗粒流态化现象;流化床的流体力学;两种流体状态;流化床的特点与应用;流化床中的不正常现象

3-2 沉降

(5)沉降设备

重力沉降设备降尘室沉降槽;分级器;)离心沉降设备旋风分离器;旋液分离器;离心机

(6)降尘室问题的解决

颗粒去除条件;临界颗粒直径颗级效率;设计型问题(单层与多层);操作型问题

第9周

(7)旋风分离器问题的解决

临界颗粒直径;分离效率;压降设计与选型

3-3过滤

(8)基本概念、名词和术语

基本概念、名词和术语过滤介质;滤饼过滤和深层过滤。滤饼的可压缩性

(9)过滤设备

板框过滤机叶滤机;回转真空过滤机

(10)过滤基本方程

单位体积滤液的滤饼体积;过滤速度与速率;过滤介质的阻力;过滤常数与过滤基本方程

(11)过滤方程

恒压过滤方程;恒速过滤方程;过滤常数的实验测定;

第10周

(12)间歇过滤问题的解决

设计型问题;操作型问题;洗涤时间;生产能力

(13)连续过滤问题的解决

操作周期与过滤时间;生产能力

3-4 本章总结

(14)本章总结

 

第4章 传热

4-1概述

(1)概述

传热的工业应用;加热剂和冷却剂;流体的热交换方式;传热学中的一些基本概念

4-2热传导

(2)热传导及傅立叶定律

热传导机理;傅立叶定律;物质的热导率

第11周

(3)通过单层壁的热传导

单层平壁热传导;单层圆筒壁热传导

(4)通过多层壁的热传导

推动力和阻力的加和性;各层温差的相对大小

4-3 对流传热

(5)对流与对流传热

自然对流运动与强制对流运动对流传热过程分析;对流传热速率;

(6)对流传热系数的实验获取

主要影响因素;数群及其关联式;数据处理;特征物理的选取

第12周

(7)管内强制对流传热系数

湍流;过渡区;层流

(8)管外强制对流传热系数

流体在管外垂直流过管束;流体在管外平行流过管束;流体流过有折流板的管束

(9)自然对流传热系数

大空间自然对流传热系数

(10)蒸汽冷凝传热系数

蒸汽冷凝现象;竖立壁面上的冷凝传热系数;水平管(束)上的冷凝传热系数;冷凝传热影响因素

(11)液体沸腾传热

液体沸腾现象;大容积沸腾曲线;

第13周

4-4 热辐射传热

(12)热辐射传热

基本概念;物体的辐射能力;两固体之间的辐射传热;对流-辐射联合传热

4-5换热器

(13)夹套盘管和半管换热器

夹套;盘管;半管

(14)套管和列管式换热器

套管式换热器;列管式换热器

(15)板式换热器

螺旋板换热;平板换热器;板翅式换热器

第14周

4-6 传热问题的解决

(16)总传热系数

总传热系数的定义与计算;污垢热阻

(17)热量衡算和总传热速率方程

热量衡算方程;总传热速率方程;两方程的联用

(18)换热器的平均传热温差

常见流式及平均温差的计算逆流、并流、错流、复杂流);相关讨论

(19)设计型问题的解决

问题描述及解决方法判断;说明选择);列管式换热器的选型

第15周

 

(20)操作型问题的解决

第一类操作型问题;第二类操作型问题;壁温的计算

(21)传热效率-传热单元数法

热容流率比、传热效率、传热单元数的定义;传热效率计算式;e-NTU法

(22)传热过程强化

增加传热面积;增大传热温差;提高传热系数

4-7 本章总结

(23)本章总结

第17周

考试

 


参考资料

丁忠伟、刘丽英、刘伟,化工原理(下),高等教育出版社,2014,北京.

丁忠伟等,化工原理学习指导(第二版),化学工业出版社,2014,北京.

授课老师
丁忠伟

丁忠伟

教授

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