《化工原理》课程总结及先进应用
《化工原理》课程总结及先进应用
一、纲要
1、概述
2、历史沿革（历史事件）3、地位和作用4、单元操作5、工程观点6、单元操作计算7、知识总结8、先进应用例子
二、概述
这门课程是承前启后、有理及工得桥梁。又是个化工专业课程的基础。本
课程注重实际和理论的结合，加强实践环节的训练。整个化工基础课程是以化工原理为核心，以化工热力学和化学反应工程为基础，以分离工程和传递工程作为化工原理的进一步拓展为框架的体系。因而对化学工程与工艺本科教育，应在学习物理化学的基础上，学习化工热力学和化学反应工程，以适应专业的调整，加强化工基础教育。并有针对性地进行典型的化工单元操作课程实习，开拓了学生的视野，提高了创新能力。
三、历史沿革（历史事件、标志事件）
在19世纪末英国学者G.E.戴维斯便提出了这种观点，但当时未引起
足够重视。1915年美国学者A.D.利特尔首先提出单元操作这一概念,明确指出:“任何化工生产过程不论规模如何，皆可分解为一系列名为单元操作的过程，例如粉碎、混合、加热、吸收、冷凝、浸取、沉降、结晶、过滤、……等。”1923年W.H.华克尔，W.K.刘易斯和W.H.麦克亚当斯等合著的
《PrinciplesofChemicalEngineering》一书出版，成为第一本全面阐述单元操作的著作。从此单元操作得到了广泛重视，成为化学工程中的奠基学科，常称为化工原理。
1952年由华东理工大学(原华东化工学院)苏元复、张震旦、王承明编译，龙门联合书局印行出版发行的《化工原理》上下册是我国最早的化工原理教材。1956年7月由张洪源、丁绪淮、顾毓珍(本校)编写、高等教育出版社出
版的《化工过程与设备》上下册是我国早期的化工原理课程统编教材。1956年7月由张洪源、丁绪淮、顾毓珍(本校)编写、高等教育出版社出版的《化工过程与设备》上下册是我国早期的化工原理课程统编教材。历史事件
1915年：LittleA.D提出“单元操作”概念，美国的化学工程进入单元操作研究阶段；
1922年：RobinsonC.S.出版《精馏原理》
1923年：WalkerW.H,LewisW.K.和McadamsW.H.合著《PrinciplesofChemicalEngineering》
1923年：McadamsW.H.出版《热量传递》
1926年：LewisW.K.出版《化工计算》；RobinsonC.S.出版《蒸发》1950年：BrownG.G.出版《单元操作》，总结40年单元操作的研究成果
1952年：华东化工学院苏元复、张震旦、王承明编译，龙门联合书
局印行出版发行的《化工原理》上下册是我国最早的化工原理教材。
1956年：华东化工学院张洪源、丁绪淮、顾毓珍编写、高等教育出
版社出版的《化工过程与设备》上下册是我国早期的化工原理课程统编教材。1958年：KnudsenJ.G.和KatzD.L.合编《流体动力学和热量传递》1959年：EckertE.R.G.编著《热量传递和质量传递》
1960年：BirdR.B，SterwartW.E.和LightfootE.N.合编《传递现象》1974年：BennetC.O.和MyersJ.E.合著《动量、热量和质量传递》1976年：WeltyJ.R，WicksC.E.和WilsonR.E.编著《动量、热量和质量传递基础》
四、地位和作用
是各种化工专业课程的基础。起着承前启后，由理及工得作用。它具有显著的工程性，解决的问题是多因素、多变量的综合性的工业实际问题。同时它又是一门技术性较强的课程。它来源于化工生产实践，又面向化工生产实践。
五、单元操作
基本过程单元操作名称流体流动过程（动量传递流体输送过程）沉降原理及作用利用外力做功将一定量流体由一处输送到另一处对于流体（气体或液体）与悬浮物（液体或固体）组成的悬浮体系，利用其密度差在力场中分离过程使液固或气固混合体系中的流体强制通过多孔性过滤介质，将悬浮的固体物截留而实现的非均相分离过程搅动物料使之发生某种方式的循环流动，使物料混合均匀或使过程加速使两种或两种以上的物料相互分散，以达到一定的均匀程度的操作利用流体运动使固体粒子群发生悬浮并使之带有某些流体表现特征，以实现某种生产过程的操作使冷物料间由于温度差而发生热量传递，以改变物料的温度或相态的操作是溶液中溶剂受热汽化而与不挥发的溶质分离，从而得到高浓度溶液的操作过滤搅拌混合流态化传热过程（热量传递过换热程）蒸发六、工程观点
（1）过程影响因素多
1、物性因素。同一类单元设备可用于不同的物系，物料的物理性质（如密度、黏度、表面张力、热导率等）和化学性质必对过程发生影响。
2、操作因素。设备的各种操作条件，如温度、压强、流量、流速、物料组成等，在工业实际过程中，它们经常会发生变化并影响过程的结果。
3、结构因素。它对物料在设备的流动状况发生影响，并直接或间接的影响传热和传质过程的进行。
（2）过程制约条件多如原料来源、冷却水的来源与温度课供的设备的结构材
料的质量和规格，当地的气温和气压变化范围等。还有一些其他的外界条件的制约。
（3）效益是评价工程合理性的最终判断（4）理论分析、工业性试验与经验数据并重
七、单元操作计算
（1）物料衡算是以质量守恒定律为基础的计算。
（2）能量衡算是以热力学第一定律即能量守恒定律为基础的计算。
（3）传热过程速率的计算在各种单元操作过程中进行的基本过程主要是动
量传递过程、热量传递过程和质量传递过程，俗称为三传。传递过程速率=传递过程的推动力/传递过程的阻力
（4）过程的热力学极限与临界点的计算当设备或系统内过程达到热力学平衡
时，过程就停止了平衡状态是过程进行的热力学极限（5）物性计算
八、知识总结
一、流体力学及其输送
1.单元操作：物理化学变化的单个操作过程，如过滤、蒸馏、萃取。2.四个基本概念：物料衡算、能量衡算、平衡关系、过程速率。3.牛顿粘性定律：F=±τA=±μAdu/dy，(F：剪应力；A：面积；μ：粘度；du/dy：速度梯度)。
4.两种流动形态：层流和湍流。流动形态的判据雷诺数Re=duρ/μ；层流201*过渡4000湍流。
5.连续性方程：A1u1=A2u2；伯努力方程：gz+p/ρ+1/2u2=C。
6.流体阻力=沿程阻力+局部阻力；范宁公式：沿程压降：Δpf=λlρu2/2d，沿程阻力：Hf=Δpf/ρg=λlu2/2dg(λ：摩擦系数)；层流时λ=64/Re，湍流时λ=F(Re，ε/d)，(ε：管壁粗糙度)；局部阻力hf=ξu2/2g，(ξ：局部阻力系数，情况不同计算方法不同)
7.流量计：变压头流量计(测速管、孔板流量计、文丘里流量计)；变截面流量计
二、非均相机械分离
1.颗粒的沉降：层流沉降速度Vt=(ρp-ρ)gdp2/18μ，(ρp-ρ：颗粒与流体密度差，μ：流体粘度)；重力沉降(沉降室，H/v=L/u，多层；增稠器，以得到稠浆为目的的沉淀)；离心沉降(旋风分离器)。
2.过滤：深层过滤和滤饼过滤(常用，助滤剂增加滤饼刚性和空隙率)；分类：压滤、离心过滤，间歇、连续三、传热
1.传热方式：热传导(傅立叶定律)、对流传热(牛顿冷却定律)、辐射传热(四次方定律)；热交换方式：间壁式传热、混合式传热、蓄热体传热(对蓄热体的周期性加热、冷却)。
2.傅立叶定律：dQ=-λdA，(Q：热传导速率；A：等温面积；λ：比例系数；：温度梯度)；
λ与温度的关系：λ=λ0(1+at)，(a：温度系数)。
3.不同情况下的热传导：单层平壁：Q=(t1-t2)/[b/(CmA)]=温差/热阻，(b：壁厚；Cm=(λ1-λ2)/2)；
多层平壁：Q=(t1-tn+1)/[bi/(λiA)]；单层圆筒：Q=(t1-t2)/[b/(λAm)]，(A：圆筒侧面积，C=(A2-A1)/ln(A2/A1))；
多层圆筒：Q=2πL(t1-tn+1)/[1/λi[ln(ri+1/ri)]。
4.对流传热类型：强制对流传热(外加机械能)、自然对流传热、(温差导致)、蒸汽冷凝传热(冷壁)、液体沸腾传热(热壁)，前两者无相变，后两者有相变；牛顿冷却定律：dQ=hdAΔt，(Δt＞0；h：传热系数)。.换热器：夹套换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器
九、先进应用例子
高效冷却技术节能节水显奇效-高效冷却技术,节能节水-化工行业
由洛阳隆华传热科技股份有限公司自主研发的SYL系列高效复合型冷
凝（却）器设备在国家“十一五”重点工程中石化岳阳1000万吨/年炼化一体化项目成功运行。截至目前，经过近一个月的运行表明，与传统的空冷器串联水冷器的换热方案比较，设备节省投资200余万元，年节电316.8万千瓦时，各项工艺指标达到设计要求。
该技术换热效果明显优于传统换热工艺，能使工艺流体直接冷却到设计温度，节能、节水效果显著，可广泛应用于炼油、化工生产工艺过程中与冷凝、冷却相关的其他工段。据洛阳隆华总工程师董晓强介绍，为进一步拓展该技术的应用范围，他们针对石油化工行业各种换热工位不同的换热工艺，研发出石化用SYL系列高效复合型冷却设备。目前这项新技术正在石油和化工业大显身手，中国石化齐鲁分公司氯碱厂、中国石化沧州炼油厂、山东恒源石油化工有限公司、鹤壁宝马化肥厂等一批石油和化工企业均采用了这项新技术。
该技术现已通过了中国石油化工股份有限公司科技部组织的专家科技成果鉴定，专家评价这一成果达到国内领先水平，比传统换热工艺节能30%以上，节水超过40%，实现了高效、节能、节水的换热目的。据介绍，我国石化行业现有换热工艺主要采用空冷器串联水冷器工艺及湿式空冷器串联水冷器工艺。这些传统的换热工艺消耗大量的电能和水资源。针对国内石化行业换热方式的落后现状，洛阳隆华投入巨资，组织技术攻关，研发出以潜热换热为主体的高效复合型冷却器设备。这一新技术采用潜热换热原理，利用水的相态变化特性，实现高效换热，其换热效率是传统工艺的117倍；水的消耗量与传统的显热换热工艺相比不足百分之一；驱动水流的动力消耗大幅度降低。
传热的工程应用
㈠在传统工业和农业领域中的应用
现代化大型火力发电站的锅炉部件一般要经受近20MPa和上千摄氏度的火焰高温，蒸汽轮机也要经受大致相同的压力和540℃左右的温度。近十年来，由于耐高温的铁素体钢的研制成功，所谓超级超临界档次的火力发电机组已经陆续投入运行，其蒸汽参数甚至达到了3134MPa和600℃左右，并且还具有快速起停和参与电网调峰的能力。核电站的反应堆及主蒸发器除了经受一定的温度、压力以外，还要受到高通量的中子辐射。为了提高能源利用水平，必须不断强化炉内各传热表面与燃气、烟气间的换热。核反应堆中则要强化燃料体元件与载热剂之间的换热。在需要隔热的地方必须尽量减少热泄漏。要做到这些都必须正确运用传热学的基本原理。
在稠油的“热采”，原油的炼制和油品的远距离输送以及化纤、化肥的生产工艺中，传热都是非常关键的因素。因为油自身物理性质的关系，它的对流换热表面传热系数往往比较低，所以强化油侧的对流换热具有非常大的经济效益。化工传热过程往往具有如下一些基本特点：(1)参与换热的介质成分多而复杂，一般都在三四种以上；(2)常常与传质过程结合在一起；(3)经常涉及多相流(汽液、气固、液固，甚至汽液固三相)和非牛顿流体
其他行业如机械、电子电器、交通运输、纺织、食品轻工、医药等也都在不同程度上和传热有着相当密切的联系㈡在高新技术领域中的应用
传热学科在很多高技术领域里同样发挥着重要的和无法替代的作用。
人类征服天空和宇宙空间的不懈努力以及所取得的巨大成果，是当今世界上各领域高技术、新材料研究最集中的体现。其中传热学所起的作用功不可没。据美国航空和宇宙航行局(NASA)所作的技术分析，美国航天飞机的技术关键只有一个半，这半个是大推力的液氢液氧火箭发动机(其中自然与传热有密切的关系)，而那一个关键则是所谓“热防护系统”(TPS)，即指以航天飞机外表面的防热瓦为主的整个热防护结构。它被视为可反复使用的航天飞机成败的最大关键。之所以把热防护系统提到如此重要的地位，是由于航天飞机极端复杂的气动热环境以及要求该防热系统必须能够重复使用造成的。
现代的机械加工工艺已经不限于传统的车、钳、铣、刨，像激光钻孔、激光切割这类高热流、超短时间的新型加工手段已经用于石油钻井管等一些有特殊要求的场合，并取得了良好的技术和经济效益。这类特殊加工方式所涉及的热量传递问题己不能再用传统的导热理论来分析，而必须加入对热量传输速度的考虑，这类问题被称为“非博里叶导热”。
扩展阅读：高职《化工原理》课程改革与实践的科学总结
高职《化工原理》课程改革与实践的
科学总结
兰州石化职业技术学院
高职《化工原理》课程改革实践
化工原理课是石油化工专业的一门极为重要的专业基础课，其主要内容是以化工生产中的物理加工过程为背景，依据操作原理的共性，分成为若干单元操作过程，研究各单元操作的基本原理，基本计算和典型设备。它涉及到化工生产中众多的操作和设备。它要求综合运用数学、物理、物理化学等基础知识来分析和解决化工生产过程中的工程问题，在培养化工技术人才中担负着由理及工、由基础到专业的过渡，在培养学生运用工程观点分析解决化工实际问题方面起着重要的作用。该课程有如下教学特点：(1)涉及的知识面广泛。学生需具有高等数学、制图、物理、物理化学及计算技术等先修课程的基础知识。(2)工程实践性强。要求学生对于化工生产过程及设备有感性认识与了解。(3)各单元操作过程相互独立。遵循的原理和法则各不相同，每一单元操作均可独立讲授、单独使用。(4)设备类型多种多样，且结构复杂。为了便于学生的理解和掌握，需配以大量的挂图或设备模型。(5)各种操作现象抽象，难于理解。老师授课时为解释清楚，需花费大量时间。(6）大量利用公式、半经验公式或关联式进行计算，学生记忆困难。
高职院校的《化工原理》课程改革，必须转变教育思想，从根本上打破学科教育的模式，针对学生基础普遍较薄弱的特点，降低理论要求，建立以职业能力培养为根本的课程体系，打破理论课程与实践课程的界限，加大实践教学比例，突出实践技能的培养。
一、课程内容的改革
化工原理课程经过近百年的发展完善，形成了一套完整严密的理论体系，这对于注重知识的系统性和全面性的普通高等教育，会给教学带来很大方便，但这种完整的理论体系却不适合高职教育的培养目标的要求，本着“以应用为目的，必需够用为度，加强针对性实用性”的方针，必须对该课程的传统内容实行必要的整合。根据高职高专教学特点，将教学内容分为两个模块，即基本理论知识模块和设备知识模块。
基本理论知识模块：
内容包括各单元操作的基本概念、定律、原理阐述，过程设备的基本计算。
由于高职教学中理论学时少，学生基础较薄，本模块对原来的理论内容进行合理的精简，例如删除应用性不强的内容：传热中的热辐射、因次分析法等内容，吸收中传质机理的内容等；精简公式的理论推导，甚至直接写出公式：简化流体动力学中的伯努利方程推导，重点讲解该方程的应用和延伸。精简后的基本内容不脱离大纲要求，能够精、深、突出基本概念与共性规律。通过基本内容学习，要求学生掌握化工单元操作中最基本的共性规律知识。同时为了突出该课程的工程实践性，学习用基础理论知识去解决实际工程问题，拓宽的知识面，将与生产实际密切联系的内容适当补充进去，例如在离心泵一节中，分析讨论：如何判断汽蚀的产生？离心泵打不上液体的原因有哪些？在传热中讨论：什么是换热器的“水锤”现象？生产中为什么不采用过热蒸汽加热？在精馏、吸收章节中分析讨论：进料量的大小对精馏塔操作有什么影响？温度或压力变化对塔的产品质量有什么影响？等等。这些内容即将理论联有实际，又是学生工作后要面对的操作问题，有很强的针对性和实用性，容易激发学生的学习兴趣。
设备知识模块：
内容包括典型设备的构造、性能、操作原理。本模块主要通过多种实训来强化学生的设备知识，操作技能。通过单元操作仿真实训，加强理论知识的理解和掌握，使学生掌握各个基本单元过程的操作控制和调节方法，培养分析和解决生产操作中各种工程技术问题的能力；通过单元操作实训，使学生对生产设备具备实际操作技能，以便学生日后能对现行的工业生产过程进行管理，使设备能正常运行；通过课程设计使学生综合运用所学基本理论，对化工过程设备进行工艺设计或设备选型，以便学生日后能对现行的生产过程及设备作各种改进以提高其效率，从而使生产获得最大限度的经济效益。
二、教学手段的改革
化工原理是一门工程实践性很强的课程，它涉及众多大型化工设备结构、复杂的操作原理及流程、大量的工程计算。采用传统教科书+黑板的教学模式，教师难讲，学生难学，因此教学手段的改革应是教学改革的重点。为了适应现代教育技术发展的需要，满足教学手段改革的需求，我们开发研制了《化工原理》多媒体电子教案。该电子教案针对高职教学，合理的对教学内容进行整合，精心编写脚本，开放实用的制作平台更有利于教学过程中对其进行修改。
实践证明，由于多媒体教学能够把抽象的概念或过程形象地展示，动态地展示设备结构、操作原理、工艺流程中物料的流动情况，使原本难讲难学的教学内容更直观、生动、形象，降低了教学难度，学习效果显著提高。利用多媒体教学能够精确做图，进行过程分析，并能方便地多次重复再现整个分析过程，减少了教师在课堂上板书时间，从而使教师将精力与时间更多地集中在知识的讲解和与学生的交流上，每节课可以节约25%的时间，利用这段时间对重点内容进行讨论或结合生产实际的操作方法讨论，这既强化了基本知识的应用，又是对教学内容的深化和补充。
三、突出的实践教学
高职学校的教学特点是实践课时较多。这给学生提供了理论联系实际的极好机会：一方面实践可以加深对该课程理论内容的理解，另一方面可经常用所学理论知识去认识实际，提高解决实际问题的能力。而且，理论教学与实践教学的相互交叉和反复循环，从人类发展规律看，该方式符合人类从实践到认识到再实践再认识的发展规律；从培养学生思维能力角度看，反复的实践活动能锻炼学生理论知识的纵向连贯性思考和横向分类思考，有利于培养学生良好的思维方式，使相关的理论知识转化为个体经验。为了强化学生实际操作的能力，我院《化工原理》的实践教学由三部分组成：化工单元操作仿真实训、化工单元操作实训、化工原理课程设计。对实训内容、过程、效果进行全程设计与控制，通过实训，使每一名学生成为能熟练操作的合格技术工人，这也是职业教育的优势所在。
石油化工单元操作仿真实训，我院采用北京东方仿真控制技术有限公司的TDC-3000培训系统，利用计算机真实地再现生产中的基本单元过程，使学生在一个与化工生产控制室一样的操作环境中，通过亲自动手，反复操作，将所学的理论知识与实际生产紧密地结合在一起，加深理解化工单元过程及设备的基本原理，熟练掌握各个单元过程的实际操作技能，培养分析和解决生产操作中各种问题的能力。实践证明，石油化工单元仿真实训解决了学生到现场实习只能看，不能动手，无法达到实习目的的弊端，极大地提高了学生的学习兴趣和能动性，为学生毕业后能迅速上岗操作奠定良好基础。
石油化工单元操作实训，让学生在单元仿真实训之后，对生产中的真实设备进行操作技能的培训，使学生掌握化工单元过程设备的结构、原理以及各种性能
数据的测定方法和整理的方法，以便学生日后能根据不同的生产任务进行过程和设备的选择、调节，进而实现过程和设备的最优化操作，提高经济效益。例如在离心泵单元的实训中，布置给学生的实训任务是：已知一管路输送系统的管径、管长、管件和阀门的设置、流体输送量及供液点和终点的操作压力、相对位置，现有一台离心泵，但性能参数丢失，试设计一个实验，核实该泵是否能完成规定的输送任务。这样由学生设计实验内容、流程、要用的仪器、要测定的数据，变被动为主动，激发实训兴趣，提高实训效果。
化工原理课程设计是综合应用化工原理和有关先修课程所学知识，以单元操作为主进行设计的实践环节。通过这一环节，学生可以掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和计算方法，用简洁文字、图表表示设计结果及化工制图等能力方面，得到一次基本的工程实践训练。在课程设计中，寻找一些科研或生产中的实际问题作为题目，使学生有真实的感觉，而且许多生产实际的要求和书本理论有时并不完全相同，有很多实践经验的因素，这更能体现工程实际问题的特点。从工程实际出发，学会分析解决工程技术问题，是《化工原理》课程教学的一项重要任务。
四、改革效果
化工原理课程所研究的理论是学生进入化工生产实际必须掌握的基本知识，所应用的设备是生产中最基本的过程设备，它要求学生具备的能力是作为化工职业人员必须具有的基本技能。因此作为石油化工专业一门极其重要的专业基础课程，化工原理课程改革的实效直接影响了毕业生的职业素质和职业能力的高低，反之，毕业生是否受到用人单位的认同，也从侧面反映了教学改革的效果。
石化系化工原理课考试结果统计1999年80以上60至8060以下80以上201*年60至8060以下80以上201*年60至8060以下80以上201*年60至8060以下80以上201*年60至8060以下12%55%33%16%56%28%18%61%21%20%63%17%21%67%12%石化系毕业生职业资格取证统计
专业年度考核人数0033488400212536002134490091828高级000216000140002600013考核结果取证率中级未通过中级00%00%231070%37981%60890%00%00%14766%20484%28488%00%00%15671%27585%39491%00%00%7275%15288%23292%1999年201*年石油化工201*年201*年201*年1999年201*年石油加工201*年201*年201*年1999年201*年化学工程201*年与工艺201*年201*年1999年201*年工业分析201*年201*年201*年
改革前石化系毕业生就业率就业率1999年68%201*年73%改革前石化系毕业生就业率74%72%70%68%66%64%就业率1999年201*年
改革后石化系毕业生就业率就业率201*年88%201*年91%201*年96%改革后石化系毕业生就业率100%95%90%85%80%201*年201*年
就业率201*年
石化系毕业生就业质量统计中石化企业1999年4%201*年5%201*年11%201*年13%201*年25%中石油企业3%4%25%34%41%中海洋企业0%0%0%0%7%合资企业3%4%17%18%15%集体私有企企业业30%27%19%11%3%28%33%10%8%5%外资企业0%0%6%7%0%石化系毕业生就业质量统计50%40%30%20%10%0%1999年201*年201*年201*年201*年中石中化企石业油中企海业洋企合业资企集业体企私业有企外业资企业
自1999年招收学院的第一届高职生，化工原理开始进行了高职特色的课程教学改革，通过课程改革提高了学生的职业素质和职业能力，与改革前相比，本系的招生人数从1999年的90人，增加到201*年的610人；毕业生的就业率从1999年的68%，提高到201*年的96%；就业质量也有显著提高。可以看出，我们的毕业生受到社会的认同，我们的教学改革取得了初步的成效。
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