《化工原理》課程總結(jié)及先進(jìn)應(yīng)用

《化工原理》課程總結(jié)及先進(jìn)應(yīng)用綱要概述歷史沿革（歷史事件）地位和作用單元操作工程觀點(diǎn)單元操作計(jì)算知識(shí)總結(jié)先進(jìn)應(yīng)用例子概述這門課程是承前啟后、有理及工得橋梁。又是個(gè)化工專業(yè)課程的基礎(chǔ)。本課程注重實(shí)際和理論的結(jié)合，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。整個(gè)化工基礎(chǔ)課程是以化工原理為核心，以化工熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)工程為基礎(chǔ)，以分離工程和傳遞工程作為化工原理的進(jìn)一步拓展為框架的體系。因而對(duì)化學(xué)工程與工藝本科教育，應(yīng)在學(xué)習(xí)物理化學(xué)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)化工熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)工程，以適應(yīng)專業(yè)的調(diào)整，加強(qiáng)化工基礎(chǔ)教育。并有針對(duì)性地進(jìn)行典型的化工單元操作課程實(shí)習(xí)，開拓了學(xué)生的視野，提高了創(chuàng)新能力。歷史沿革（歷史事件、標(biāo)志事件）在19世紀(jì)末英國(guó)學(xué)者G.E.戴維斯便提出了這種觀點(diǎn)，但當(dāng)時(shí)未引起足夠重視。1915年美國(guó)學(xué)者A.D.利特爾首先提出單元操作這一概念,明確指出:“任何化工生產(chǎn)過程不論規(guī)模如何，皆可分解為一系列名為單元操作的過程，例如粉碎、混合、加熱、吸收、冷凝、浸取、沉降、結(jié)晶、過濾、……等。”1923年W.H.華克爾，W.K.劉易斯和W.H.麥克亞當(dāng)斯等合著的《PrinciplesofChemicalEngineering》一書出版，成為第一本全面闡述單元操作的著作。從此單元操作得到了廣泛重視，成為化學(xué)工程中的奠基學(xué)科，常稱為化工原理。1952年由華東理工大學(xué)(原華東化工學(xué)院)蘇元復(fù)、張震旦、王承明編譯，龍門聯(lián)合書局印行出版發(fā)行的《化工原理》上下冊(cè)是我國(guó)最早的化工原理教材。1956年7月由張洪源、丁緒淮、顧毓珍(本校)編寫、高等教育出版社出版的《化工過程與設(shè)備》上下冊(cè)是我國(guó)早期的化工原理課程統(tǒng)編教材。1956年7月由張洪源、丁緒淮、顧毓珍(本校)編寫、高等教育出版社出版的《化工過程與設(shè)備》上下冊(cè)是我國(guó)早期的化工原理課程統(tǒng)編教材。歷史事件1915年：LittleA.D提出“單元操作”概念，美國(guó)的化學(xué)工程進(jìn)入單元操作研究階段；

1922年：RobinsonC.S.出版《精餾原理》

1923年：WalkerW.H,LewisW.K.和McadamsW.H.合著《PrinciplesofChemicalEngineering》

1923年：McadamsW.H.出版《熱量傳遞》

1926年：LewisW.K.出版《化工計(jì)算》；RobinsonC.S.出版《蒸發(fā)》

1950年：BrownG.G.出版《單元操作》，總結(jié)40年單元操作的研究成果

1952年：華東化工學(xué)院蘇元復(fù)、張震旦、王承明編譯，龍門聯(lián)合書局印行出版發(fā)行的《化工原

理》上下冊(cè)是我國(guó)最早的化工原理教材。

1956年：華東化工學(xué)院張洪源、丁緒淮、顧毓珍編寫、高等教育出版社出版的《化工過程與設(shè)

備》上下冊(cè)是我國(guó)早期的化工原理課程統(tǒng)編教材。

1958年：KnudsenJ.G.和KatzD.L.合編《流體動(dòng)力學(xué)和熱量傳遞》

1959年：EckertE.R.G.編著《熱量傳遞和質(zhì)量傳遞》

1960年：BirdR.B，SterwartW.E.和LightfootE.N.合編《傳遞現(xiàn)象》

1974年：BennetC.O.和MyersJ.E.合著《動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞》1976年：WeltyJ.R，WicksC.E.和WilsonR.E.編著《動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞基礎(chǔ)》地位和作用是各種化工專業(yè)課程的基礎(chǔ)。起著承前啟后，由理及工得作用。它具有顯著的工程性，解決的問題是多因素、多變量的綜合性的工業(yè)實(shí)際問題。同時(shí)它又是一門技術(shù)性較強(qiáng)的課程。它來源于化工生產(chǎn)實(shí)踐，又面向化工生產(chǎn)實(shí)踐。單元操作基本過程單元操作名稱原理及作用流體流動(dòng)過程（動(dòng)量傳遞過程）流體輸送利用外力做功將一定量流體由一處輸送到另一處沉降對(duì)于流體（氣體或液體）與懸浮物（液體或固體）組成的懸浮體系，利用其密度差在力場(chǎng)中分離過程過濾使液固或氣固混合體系中的流體強(qiáng)制通過多孔性過濾介質(zhì)，將懸浮的固體物截留而實(shí)現(xiàn)的非均相分離過程攪拌攪動(dòng)物料使之發(fā)生某種方式的循環(huán)流動(dòng)，使物料混合均勻或使過程加速混合使兩種或兩種以上的物料相互分散，以達(dá)到一定的均勻程度的操作流態(tài)化利用流體運(yùn)動(dòng)使固體粒子群發(fā)生懸浮并使之帶有某些流體表現(xiàn)特征，以實(shí)現(xiàn)某種生產(chǎn)過程的操作傳熱過程（熱量傳遞過程）換熱使冷物料間由于溫度差而發(fā)生熱量傳遞，以改變物料的溫度或相態(tài)的操作蒸發(fā)是溶液中溶劑受熱汽化而與不揮發(fā)的溶質(zhì)分離，從而得到高濃度溶液的操作工程觀點(diǎn)過程影響因素多物性因素。同一類單元設(shè)備可用于不同的物系，物料的物理性質(zhì)（如密度、黏度、表面張力、熱導(dǎo)率等）和化學(xué)性質(zhì)必對(duì)過程發(fā)生影響。操作因素。設(shè)備的各種操作條件，如溫度、壓強(qiáng)、流量、流速、物料組成等，在工業(yè)實(shí)際過程中，它們經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化并影響過程的結(jié)果。結(jié)構(gòu)因素。它對(duì)物料在設(shè)備的流動(dòng)狀況發(fā)生影響，并直接或間接的影響傳熱和傳質(zhì)過程的進(jìn)行。過程制約條件多如原料來源、冷卻水的來源與溫度課供的設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量和規(guī)格，當(dāng)?shù)氐臍鉁睾蜌鈮鹤兓秶?。還有一些其他的外界條件的制約。效益是評(píng)價(jià)工程合理性的最終判斷理論分析、工業(yè)性試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并重單元操作計(jì)算物料衡算是以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)的計(jì)算。能量衡算是以熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律為基礎(chǔ)的計(jì)算。傳熱過程速率的計(jì)算在各種單元操作過程中進(jìn)行的基本過程主要是動(dòng)量傳遞過程、熱量傳遞過程和質(zhì)量傳遞過程，俗稱為三傳。傳遞過程速率=傳遞過程的推動(dòng)力/傳遞過程的阻力過程的熱力學(xué)極限與臨界點(diǎn)的計(jì)算當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)過程達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，過程就停止了平衡狀態(tài)是過程進(jìn)行的熱力學(xué)極限物性計(jì)算知識(shí)總結(jié)流體力學(xué)及其輸送

1.單元操作：物理化學(xué)變化的單個(gè)操作過程，如過濾、蒸餾、萃取。

2.四個(gè)基本概念：物料衡算、能量衡算、平衡關(guān)系、過程速率。

3.牛頓粘性定律：F=±τA=±μAdu/dy，(F：剪應(yīng)力；A：面積；μ：粘度；du/dy：速度梯度)。

4.兩種流動(dòng)形態(tài)：層流和湍流。流動(dòng)形態(tài)的判據(jù)雷諾數(shù)Re=duρ/μ；層流—2000—過渡—4000—湍流。

5.連續(xù)性方程：A1u1=A2u2；伯努力方程：gz+p/ρ+1/2u2=C。

6.流體阻力=沿程阻力+局部阻力；范寧公式：沿程壓降：Δpf=λlρu2/2d，沿程阻力：Hf=Δpf/ρg=λlu2/2dg(λ：摩擦系數(shù))；層流時(shí)λ=64/Re，湍流時(shí)λ=F(Re，ε/d)，(ε：管壁粗糙度)；局部阻力hf=ξu2/2g，(ξ：局部阻力系數(shù)，情況不同計(jì)算方法不同)

7.流量計(jì)：變壓頭流量計(jì)(測(cè)速管、孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì))；變截面流量計(jì)非均相機(jī)械分離

1.顆粒的沉降：層流沉降速度Vt=(ρp-ρ)gdp2/18μ，(ρp-ρ：顆粒與流體密度差，μ：流體粘度)；重力沉降(沉降室，H/v=L/u，多層；增稠器，以得到稠漿為目的的沉淀)；離心沉降(旋風(fēng)分離器)。

2.過濾：深層過濾和濾餅過濾(常用，助濾劑增加濾餅剛性和空隙率)；分類：壓濾、離心過濾，間歇、連續(xù)傳熱

1.傳熱方式：熱傳導(dǎo)(傅立葉定律)、對(duì)流傳熱(牛頓冷卻定律)、輻射傳熱(四次方定律)；熱交換方式：間壁式傳熱、混合式傳熱、蓄熱體傳熱(對(duì)蓄熱體的周期性加熱、冷卻)。

2.傅立葉定律：dQ=-λdA，(Q：熱傳導(dǎo)速率；A：等溫面積；λ：比例系數(shù)；：溫度梯度)；

λ與溫度的關(guān)系：λ=λ0(1+at)，(a：溫度系數(shù))。

3.不同情況下的熱傳導(dǎo)：?jiǎn)螌悠奖冢篞=(t1-t2)/[b/(CmA)]=溫差/熱阻，(b：壁厚；Cm=(λ1-λ2)/2)；

多層平壁：Q=(t1-tn+1)/[bi/(λiA)]；單層圓筒：Q=(t1-t2)/[b/(λAm)]，(A：圓筒側(cè)面積，C=(A2-A1)/ln(A2/A1))；

多層圓筒：Q=2πL(t1-tn+1)/[1/λi[ln(ri+1/ri)]。

4.對(duì)流傳熱類型：強(qiáng)制對(duì)流傳熱(外加機(jī)械能)、自然對(duì)流傳熱、(溫差導(dǎo)致)、蒸汽冷凝傳熱(冷壁)、液體沸騰傳熱(熱壁)，前兩者無相變，后兩者有相變；牛頓冷卻定律：dQ=hdAΔt，(Δt＞0；h：傳熱系數(shù))。.換熱器：夾套換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、列管式換熱器九、先進(jìn)應(yīng)用例子高效冷卻技術(shù)節(jié)能節(jié)水顯奇效-高效冷卻技術(shù),節(jié)能節(jié)水-化工行業(yè)

由洛陽(yáng)隆華傳熱科技股份有限公司自主研發(fā)的SYL系列高效復(fù)合型冷凝（卻）器設(shè)備在國(guó)家“十一五”重點(diǎn)工程——中石化岳陽(yáng)1000萬噸/年煉化一體化項(xiàng)目成功運(yùn)行。截至目前，經(jīng)過近一個(gè)月的運(yùn)行表明，與傳統(tǒng)的空冷器串聯(lián)水冷器的換熱方案比較，設(shè)備節(jié)省投資200余萬元，年節(jié)電316.8萬千瓦時(shí)，各項(xiàng)工藝指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

該技術(shù)換熱效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)換熱工藝，能使工藝流體直接冷卻到設(shè)計(jì)溫度，節(jié)能、節(jié)水效果顯著，可廣泛應(yīng)用于煉油、化工生產(chǎn)工藝過程中與冷凝、冷卻相關(guān)的其他工段。據(jù)洛陽(yáng)隆華總工程師董曉強(qiáng)介紹，為進(jìn)一步拓展該技術(shù)的應(yīng)用范圍，他們針對(duì)石油化工行業(yè)各種換熱工位不同的換熱工藝，研發(fā)出石化用SYL系列高效復(fù)合型冷卻設(shè)備。目前這項(xiàng)新技術(shù)正在石油和化工業(yè)大顯身手，中國(guó)石化齊魯分公司氯堿廠、中國(guó)石化滄州煉油廠、山東恒源石油化工有限公司、鶴壁寶馬化肥廠等一批石油和化工企業(yè)均采用了這項(xiàng)新技術(shù)。

該技術(shù)現(xiàn)已通過了中國(guó)石油化工股份有限公司科技部組織的專家科技成果鑒定，專家評(píng)價(jià)這一成果達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，比傳統(tǒng)換熱工藝節(jié)能30%以上，節(jié)水超過40%，實(shí)現(xiàn)了高效、節(jié)能、節(jié)水的換熱目的。

據(jù)介紹，我國(guó)石化行業(yè)現(xiàn)有換熱工藝主要采用空冷器串聯(lián)水冷器工藝及濕式空冷器串聯(lián)水冷器工藝。這些傳統(tǒng)的換熱工藝消耗大量的電能和水資源。針對(duì)國(guó)內(nèi)石化行業(yè)換熱方式的落后現(xiàn)狀，洛陽(yáng)隆華投入巨資，組織技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出以潛熱換熱為主體的高效復(fù)合型冷卻器設(shè)備。這一新技術(shù)采用潛熱換熱原理，利用水的相態(tài)變化特性，實(shí)現(xiàn)高效換熱，其換熱效率是傳統(tǒng)工藝的117倍；水的消耗量與傳統(tǒng)的顯熱換熱工藝相比不足百分之一；驅(qū)動(dòng)水流的動(dòng)力消耗大幅度降低。

傳熱的工程應(yīng)用㈠在傳統(tǒng)工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代化大型火力發(fā)電站的鍋爐部件一般要經(jīng)受近20MPa和上千攝氏度的火焰高溫，蒸汽輪機(jī)也要經(jīng)受大致相同的壓力和540℃左右的溫度。近十年來，由于耐高溫的鐵素體鋼的研制成功，所謂超級(jí)超臨界檔次的火力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)陸續(xù)投入運(yùn)行，其蒸汽參數(shù)甚至達(dá)到了31—34MPa和600℃左右，并且還具有快速起停和參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力。核電站的反應(yīng)堆及主蒸發(fā)器除了經(jīng)受一定的溫度、壓力以外，還要受到高通量的中子輻射。為了提高能源利用水平，必須不斷強(qiáng)化爐內(nèi)各傳熱表面與燃?xì)?、煙氣間的換熱。核反應(yīng)堆中則要強(qiáng)化燃料體元件與載熱劑之間的換熱。在需要隔熱的地方必須盡量減少熱泄漏。要做到這些都必須正確運(yùn)用傳熱學(xué)的基本原理。

在稠油的“熱采”，原油的煉制和油品的遠(yuǎn)距離輸送以及化纖、化肥的生產(chǎn)工藝中，傳熱都是非常關(guān)鍵的因素。因?yàn)橛妥陨砦锢硇再|(zhì)的關(guān)系，它的對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)往往比較低，所以強(qiáng)化油側(cè)的對(duì)流換熱具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益?；鳠徇^程往往具有如下一些基本特點(diǎn)：(1)參與換熱的介質(zhì)成分多而復(fù)雜，一般都在三四種以上；(2)常常與傳質(zhì)過程結(jié)合在一起；(3)經(jīng)常涉及多相流(汽液、氣固、液固，甚至汽液固三相)和非牛頓流體

其他行業(yè)如機(jī)械、電子電器、交通運(yùn)輸、紡織、食品輕工、醫(yī)藥等也都在不同程度上和傳熱有著相當(dāng)密切的聯(lián)系㈡在高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

傳熱學(xué)科在很多高技術(shù)領(lǐng)域里同樣發(fā)揮著重要的和無法替代的作用。

人類征服天空和宇宙空間的不懈努力以及所取得的巨大成果，是當(dāng)今世界上各領(lǐng)域高技術(shù)、新材料研究最集中的體現(xiàn)。其中傳熱學(xué)所起的作用功不可沒。據(jù)美國(guó)航空和宇宙航行局(NASA)所作的技術(shù)分析，美國(guó)航天飛機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵只有一個(gè)半，這半個(gè)是大推力的液氫—液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(其中自然與傳熱有密切的關(guān)系)，而那一個(gè)關(guān)鍵則是所謂“熱防護(hù)系統(tǒng)”(T