《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纲要概述历史沿革（历史事件）地位和作用单元操作工程观点单元操作计算知识总结先进应用例子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。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》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。单元操作基本过程单元操作名称原理及作用流体流动过程（动量传递过程）流体输送利用外力做功将一定量流体由一处输送到另一处沉降对于流体（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过滤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拌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混合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流态化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传热过程（热量传递过程）换热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蒸发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工程观点过程影响因素多物性因素。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。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。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。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。效益是评价工程合理性的最终判断理论分析、工业性试验与经验数据并重单元操作计算物料衡算是以质量守恒定律为基础的计算。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。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物性计算知识总结流体力学及其输送

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—2000—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31—34MPa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”(T