化工原理(上)
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spContent=化工原理课程是化工类及相近专业的主干专业基础课,主要研究化工生产中各单元操作的基本原理、计算方法和所用设备的结构与选型等。化工原理(上)包括流体流动、流体输送、沉降分离、过滤分离、传热和蒸发等单元操作。本课程为第2次上线,我们将为学习者提供优质的授课与服务,欢迎大家登录!
—— 课程团队
课程概述

 《化工原理》课程是化工类及相近专业的一门主要技术基础课,它是综合运用数学、物理化学等基础知识,分析和解决化工类型生产中各种物理过程(或单元操作)问题的工程学科,该课程担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用,对工类及相近专业学生的业务素质、工程能力与创新能力的培养起着至关重要的作用。

 天津大学《化工原理》课程具有优良的传统,多年来一直在国内处于领先地位1993年全国化工原理课程专业指导委员会组织的首次《化工原理》课程评估中获得优秀,得分居全国第一位,2003年被评为首批国家级精品课程,2014年被评为国家级精品资源共享课程。近十余年来,为适应培养面向21世纪高等化工创新人才的需要,课程组在课程体系、教学内容、学方法及教学手段等方面进行了深化改革,并加强了教学资源建设。在教学改革方面共主持各级各类教改项目13项,其中国家级教改项目3项、天津市教改项目2项,获得国家级教学成果二等奖1项,天津市教学成果一等奖2项和二等奖1项;在教材建设方面,共出版各类教材9部,其国家级划教材4,面向21世纪课程教材2部,获得全国普通高等学校优秀教材二等奖1,省部级优秀教材二等奖2。我校的《化工原理》课程经过近10余年的改革与建设,使得课程的整体教学水平不断提高,继续保持了该课程在内的领先地位。近年来,有20余所国内化工院校的教师来我校进行学习与交流,我校主持召开全国《化工原理及实验》课程教学研讨与教学成果推广会5次,课程负责人和相关教师在国内各类教学会议上应邀做报告10次,介绍我校《化工原理》课程的改革与建设经验,受到内同行的普遍赞誉,发挥了很好的示范作用。

为适应中国大学MOOC课程建设需要,近年来课程组加强了在线开放课程的建设,天津大学的《化工原理》(上)已于20183月上线运行,《化工原理》(下)将于20189上线运行。本在线开放课程104学时,包括《化工原理》(上)56学时、《化工原理》(下)48学时,分为两个学期开设,每学期授课12周。内容包括绪论、流体流动、流体输送机械、非均相物系的分离和固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、蒸馏和吸收塔设备、液-液萃取、干燥等。主讲教师为贾绍义教授(绪论、流体流动、蒸馏、吸收、蒸馏和吸收塔设备)、夏清教授(流体输送机械、非均相物系的分离和固体流态化、干燥)、姜峰副教授(传热、蒸发、液-液萃取);辅导教师为刘明言教授、张裕卿教授、马红钦副教授、张缨副教授、吴松海副教授、李国兵副教授和付涛涛副教授;姜峰副教授任总助教。使用教材为天津大学出版社出版的《化工原理》(上、下册)2版,同时参考了华东理工大学、大连理工大学、北京化工大学等院校主编的《化工原理》教材。教学大纲以天津大学《化工原理》系列课程中的《化工原理》(104学时)体系编制,同时参考了国内多所化工院校的《化工原理》课程教学大纲。在线开放课程适应性强,可满足不同层次院校、不同专业类型的需要。


授课目标

天津大学的《化工原理》(上)在线开放课程,将为学习者提供优质的授课与服务,使学习者在线完成化工原理(上)的学习。通过本在线开放课程的学习,使学习者掌握动量和热量传递的基本理论,在此基础上,掌握流体流动、流体输送、沉降分离、过滤分离、过程传热、蒸发等化工单元操作的基本原理和计算方法,熟悉所用设备的结构特点、操作性能和设备选型等,并为后续专业课程的学习奠定基础。


课程大纲

《化工原理》在线开放课程

教学大纲

一、课程性质、目的和任务

《化工原理》课程是化工类及相近专业的一门主要技术基础课,它是综合运用数学、物理、化学等基础知识,分析和解决化工类型生产中各种物理过程(或单元操作)问题的工程学科,本课程担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用。该课程教学水平的高低,对化工类及相近专业学生的业务素质和工程能力的培养起着至关重要的作用。

本课程属工科科学,用自然科学的原理(主要为动量、热量与质量传递理论)考察、解释和处理工程实际问题,研究方法主要是理论解析和在理论指导下的实验研究,本课程强调工程观点、定量运算和设计能力的训练、强调理论与实际相结合,提高分析问题、解决问题的能力。学生通过本课程学习,应能够解决流体流动、流体输送、沉降分离、过滤分离、过程传热、蒸发、蒸馏、吸收、萃取和干燥等单元操作过程的计算及设备选择等问题,并为后续专业课程的学习奠定基础。

 

二、教学基本要求

《化工原理》在线课程分为两学期开设。教材内容分为课堂讲授、学生自学和学生选读三部分,其中课堂讲授部分由教师在教学计划学时内进行课堂教学,作为基本要求内容;学生自学部分由学生在教师的指导下,利用课外时间进行自学,作为一般要求内容;学生选读部分由学生根据自己的兴趣及能力,进行课外选读,不作要求。

本课程采用在线形式对社会开放。学习者通过授课视频,自主进行课程内容的学习极参与课堂讨论和随堂测验;认真完成单元测验及单元作业;参加结课考试。在线服务教师通过课程论坛、讨论区与答疑区,为学习者提供答疑与指导。

三、教学内容

本课程主要内容包括:

1.流体流动。流体的物理性质;流体静力学;流体流动的基本方程;流体流动现象;流动在管内的流动阻力;管路计算;流量测量。

2.流体输送机械。离心泵;其他类型液体输送机械;气体输送和压缩机械。

3非均相物系的分离与固体流态化。概述;沉降分离;过滤;离心机;固体流态化。

4传热。概述;热传导;对流传热概述;传热过程计算;对流传热系数关联式;辐射传热简介;换热器。

5.蒸发。蒸发设备;单效蒸发;多效蒸发。

6蒸馏。概述;两组分溶液的气液平衡;精馏原理和流程;两组分连续精馏的计算;间歇精馏;恒沸精馏和萃取精馏。

7.吸收。气体吸收的相平衡关系;传质机理与的吸收速率;吸收塔的计算;吸收系数;其他条件下的吸收和脱吸。

8.蒸馏和吸收塔设备。概述;板式塔;填料塔。

9.液-液萃取。概述;三元体系的液-液相平衡;萃取过程的流程和计算;液-液萃取设备。

10.干燥。湿空气的性质及湿焓图;干燥过程的物料衡算与热量衡算;固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系;干燥设备。

四、使用教材

    夏清, 贾绍义主编. 化工原理(上册), 2. 天津: 天津大学出版社, 2012.

       夏清, 贾绍义主编. 化工原理(下册), 2. 天津: 天津大学出版社, 2012.

五、教学安排

《化工原理》(上册)                      56学时/12

 第一周

绪论                                         

1  流体流动                             

1.1  流体的物理性质

1.1.1  流体的密度

1.1.2  流体的黏性

1.1.3  非牛顿型流体简介

1.2  流体静力学

1.2.1  静止流体的压力

1.2.2  流体静力学基本方程式

1.2.3  流体静力学基本方程式的应用

第二周

1.3  流体流动的基本方程

1.3.1  流量与流速

1.3.2  稳态流动与非稳态流动

1.3.3  连续性方程式

1.3.4  伯努利方程式

1.3.5  伯努利方程式的应用

第三周

1.4  流体的流动现象

1.4.1  流动类型与雷诺数

1.4.2  流体在管内流动时的速度分布

1.4.3  边界层的概念

1.5  流体在管内的流动阻力

1.5.1  流体在直管中的流动阻力

1.5.2  管路上的局部阻力

1.5.3  管路系统中的总能量损失

第四周

1.6  管路计算2学时)

1.7  流量测量2学时)

第五周

2  流体输送机械                     

2.1  离心泵

2.1.1  离心泵的工作原理和主要部件

2.1.2  离心泵的基本方程式

2.1.3  离心泵的主要性能参数与特性曲线

2.1.4  离心泵的气蚀现象和允许安装高度

第六周

2.1.5  离心泵的工作点与流量调节

2.1.6  离心泵的类型、选择与使用

2.2  其他类型液体输送机械

2.2.1  往复泵

2.2.2  旋转泵

2.2.3  旋涡泵

2.2.4  常用工业用泵的性能比较

2.3  气体输送和压缩机械

2.3.1  离心通风机、鼓风机与压缩机

2.3.2  旋转鼓风机与压缩机

2.3.3  往复式压缩机

2.3.4  真空泵

第七周

3  非均相物系的分离和固体流态化         

3.1  概述

3.1.1  非均相混合物的分离方法

3.1.2  颗粒的特性

3.2  沉降过程

3.2.1  重力沉降

3.2.2  离心沉降

3.3  过滤

3.3.1  过滤操作原理

3.3.2  颗粒床层的特性及流体流过床层的压降

3.3.3  过滤基本方程式

第八周

3.3.4  恒压过滤

3.3.5  恒速过滤与先恒速后恒压过滤

3.3.6  过滤常数的测定

3.3.7  过滤设备

3.3.8  滤饼的洗涤

3.3.9  过滤机的生产能力

3.4  非均相混合物分离技术和设备的新进展(选读)

3.5  离心机(选读)

3.5.1  一般概念

3.5.2  沉降离心机和分离离心机

3.5.3  过滤离心机

3.6  固体流态化

3.6.1  流态化的基本概念

3.6.2  流化床的主要特征

3.6.3  流化床的操作范围

3.6.4  提高流化质量的措施

3.6.5  气力输送简介

第九周

4  传热                               

4.1  概述

4.1.1  传热的基本方式

4.1.2  传热过程中热、冷流体(接触)热交换的方式

4.1.3  典型的间壁式换热器

4.1.4  传热速率和热通量

4.1.5  稳态传热和非稳态传热

4.1.6  热载体及其选择

4.2  热传导

4.2.1  基本概念和傅里叶定律

4.2.2  导热系数

4.2.3  通过平壁的稳态热传导

4.2.4  通过圆筒壁的稳态热传导

4.3  对流传热概述

4.3.1  对流传热速率方程和对流传热系数

4.3.2  对流传热机理简介

4.3.3  保温层的临界直径

第十周

4.4  传热过程计算

4.4.1  热量衡算

4.4.2  总传热速率微分方程和总传热系数

4.4.3  平均温度差法和总传热方程

4.4.4  总传热速率方程的应用

4.4.5  传热单元数法

4.5  对流传热系数关联式

4.5.1  影响对流传热系数的因素

4.5.2  对流传热过程的量纲分析

4.5.3  液体无相变时的对流传热系数

第十一周

4.5.4  液体有相变时的对流传热系数

4.5.5  壁温的估算

4.6  辐射传热

4.6.1  基本概念

4.6.2  物体的辐射能力和有关定律

4.6.3  两固体间的辐射传热

4.6.4  对流和辐射联合传热

4.7  换热器

4.7.1  间壁式换热器的类型

4.7.2  列管式换热器的设计与选型

4.7.3  各种间壁式换热器的比较和传热的强化途径

第十二周

5  蒸发                              

5.1  蒸发设备

5.1.1  蒸发器的结构

5.1.2  蒸发器的辅助装置

5.1.3  蒸发器的选型

5.2  单效蒸发

5.2.1  溶液的沸点和温度差损失

5.2.2  单效蒸发的计算

5.2.3  蒸发器的生产能力和生产强度

5.3  多效蒸发

5.3.1  多效蒸发的操作流程

5.3.2  多效蒸发的计算

5.3.3  多效蒸发和单效蒸发的比较

5.3.4  提高加热蒸汽经济性的其他措施

5.4  蒸发器的工艺设计 (选读)

《化工原理》(下册)                           48学时/12

第一周

6  蒸馏                                

6.1  概述

6.2  两组分溶液的气液平衡

6.2.1  两组分理想物系的气液平衡

6.2.2  两组分非理想物系的气液平衡

6.3  平衡蒸馏和简单蒸馏

6.3.1  平衡蒸馏

6.3.2  简单蒸馏

6.4  精馏原理和流程

6.4.1  精馏过程原理

6.4.2  精馏操作流程

第二周

6.5  两组分连续精馏的计算

6.5.1  理论板的概念及恒摩尔流假定

6.5.2  物料衡算和操作线方程

6.5.3  进料热状况的影响

6.5.4  理论板层数的计算

第三周

6.5.5  回流比的影响及其选择

6.5.6  简捷法求理论板层数

6.5.7  几种特殊情况下理论板层数的求法

6.5.8  塔高和塔径的计算

6.5.9  连续精馏装置的热量衡算和节能

第四周

6.6  间歇精馏

6.6.1  回流比恒定时的间歇精馏计算

6.6.2  馏出液组成恒定时的间歇精馏计算

6.7  恒沸精馏和萃取精馏

6.7.1  恒沸精馏

6.7.2  萃取精馏

6.8  多组分精馏 (选读)

7  吸收                              

7.1  气体吸收的相平衡关系

7.1.1  气体的溶解度

7.1.2  亨利定律

7.1.3  吸收剂的选择

7.1.4  相平衡关系在吸收过程中的应用

第五周

7.2  传质机理与吸收速率

7.2.1  分子扩散与菲克定律

7.2.2  气相中的稳态分子扩散                              

第六周

7.2.3  液相中的稳态分子扩散

7.2.4  扩散系数

7.2.5  对流传质

7.2.6  吸收过程的机理

7.2.7  吸收速率方程式

7.3  吸收塔的计算

7.3.1  吸收塔的物料衡算与操作线方程

第七周

7.3.2  吸收剂用量的决定

7.3.3  塔径的计算

7.3.4  填料层高度的计算

7.3.5  理论板层数的计算

7.4  吸收系数

7.4.1  吸收系数的测定

7.4.2  吸收系数的经验公式

7.4.3  吸收系数的量纲为1的数群关联式

7.5  其他条件下的吸收和脱吸

7.5.1  高浓度气体吸收

7.5.2  非等温吸收

7.5.3  多组分吸收

7.5.4  化学吸收

7.5.5  脱吸

第八周

8  蒸馏和吸收塔设备                  

8.1  概述

8.2  板式塔

8.2.1  塔板类型

8.2.2  板式塔的流体力学性能与操作特性

8.3.3  板式塔的工艺设计

8.3  填料塔

8.3.1  填料塔的结构与特点

8.3.2  填料

第九周

8.3.3  填料塔的流体力学性能与操作特性

8.3.4  填料塔的计算

8.3.5  填料塔内件

9  液萃取                      

9.1  概述

9.2  三元体系的液液相平衡

9.2.1  组成在三角形相图上的表示方法

9.2.2  液相平衡关系

9.2.3  杠杆规则

9.2.4  萃取剂的选择

第十周

9.3  萃取过程的流程和计算

9.3.1  单级萃取

9.3.2  多级错流接触萃取

9.3.3  多级逆流接触萃取

9.3.4  微分接触逆流萃取

9.3.5  回流萃取两组分的萃取

9.4  萃取分离的进展(选读)

9.5  液萃取设备(选读)

9.5.1  混合-澄清器

9.5.2  塔式萃取设备

9.5.3  离心萃取器

9.5.4  液-液传质设备的流体流动和传质特性

9.5.5  萃取设备的选择

第十一周

10  干燥                                 

10.1  湿空气的性质及湿焓图

10.1.1  湿空气的性质

10.1.2  湿空气的H-I

10.2 干燥过程的物料衡算与热量衡算

10.2.1  湿物料的性质

10.2.2  干燥系统的物料衡算

10.2.3  干燥系统的热量衡算

10.2.4  空气通过干燥器时的状态变化

第十二周

10.3  固体物料在干燥过程中的平衡关系与速率关系

10.3.1  物料中的水分

10.3.2  干燥时间的计算

10.4  干燥设备

10.4.1  干燥器的主要类型

10.4.2  干燥器的设计



预备知识

《高等数学》

《物理化学》

《化工热力学》


证书要求

本课程采用百分制计分,评价分为4个部分,各部分的比例和要求如下:

1)课堂讨论(10%)

学生需要在课堂交流区中参加教师发起的讨论,发帖和回帖的数量总共达20条为及格(60分),在此基础上每增加1条计2分,总共达40条及以上为满分(100分)。MOOC平台默认只有这个部分的讨论才能计算成绩。本课程每周均指定讨论题目,学生可根据兴趣选择参与。

2)单元测验(30%)

本课程每章测验1次。每次测验包括10个单选题、5个多选题和10个判断题,单选题每题4分,多选题每题6分,判断题每3分,共100。每次测验需要在60分钟内完成,允许尝试2次,有效得分为平均分值。

3)单元作业(20%)

每周发布作业1次,作业应在规定的截止时间内提交(过期提交无效)。作业采取教师批改方式评分,根据作业完成的数量和质量评分。

4期末考试(40%)

结课时进行期末考试,题目包括客观题和主观题。需要在100分钟内完成,只允许尝试1次。

总成绩 = 课堂讨论×10% +   单元作业×20% + 单元测验×30% + 期末考试×40%

总成绩60分及以上合格,85分及以上优秀,并可申请相应证书。

电子版的课程结业证书免费纸质版认证证书证书收费:100/

本课程分为化工原理(上)、化工原理(下)两部分,各部分单独评价和发放证书。


参考资料

1.  贾绍义, 柴诚敬. 化工原理(单册), 2. 北京: 高等教育出版社, 2013.

2.  柴诚敬, 贾绍义. 化工原理(上册), 3. 北京: 高等教育出版社, 2017.

3.  陈敏恒, 丛德滋, 方图南, . 化工原理(上册), 4. 北京: 化学工业出版社, 2015.

4.  谭天恩, 窦梅, . 化工原理(上册), 4. 北京: 化学工业出版社, 2013.

5.  丁忠伟, 刘丽英, 刘伟. 化工原理(上册). 北京: 高等教育出版社, 2014.

6.  McCabe W L, Smith J C. Unit Operations of Chemical Engineering, 6th ed. New York: McGraw. Hill Inc., 2005.