化工原理

化工原理是在研究化學工業共性的基礎上發展起來的。本課程屬於技術基礎課程，主要研究化工生產中的物理加工過程，按其操作原理的共性歸納成若干個“單元操作”，研究對象由過程和設備兩部分組成，通過學習本課程不僅使學生掌握如流體輸送、液體攪拌、過濾、沉降、傳熱、蒸發、精餾、吸收、乾燥等典型化工單元操作的知識，而且讓學生掌握一般工程處理方法，如因次分析法、數學模型法、過程分解法、極限處理法等等。同時本課程的學習有承上啟下的作用。一方面需要應用已經掌握的微積分、常微分方程、數值計算方法等高等數學知識以及普通物理和物理化學知識，另一方面為後繼專業課程，如分離工程，化工設計等課程的學習打下堅實的基礎。

由於本門課程屬於工程科學，與原來所學的高等數學、普通物理等自然科學課程有著較大的差別。這些自然科學課程通常採用嚴謹的、邏輯推理的思維方法來進行問題分析的，而所分析的問題也大多處於理想條件下的非實際問題；而作為工程科學，化工原理所面臨的是大量的工程實際問題；只有在錯綜複雜的各個影響因素中，抓住主要影響因素，進行合理簡化，才能找到解決實際問題的正確途徑，如果不注意這種思維方法上的轉變，不恰當地照搬嚴謹的、邏輯推理的方法來全面分析複雜的工程實際問題，很可能會在現實中一籌莫展。

在本課程的學習中，希望讀者能夠注意弄清基本概念，掌握分析化工問題的常用方法和手段、分析過程中所採取的主要步驟，得出的重要結論，以及這些結論在過程設計和操作調節中所體現出來的內在含義。對於基本的、重要的公式，應當達到熟練掌握和應用的程度。在學習過程中，難免有不少東西需要記憶，記憶有機械記憶，聯想記憶，理解記憶等方法，我們注重理解記憶，因為真正理解的東西，記住的不僅僅是其形式，而且是其深刻的內涵。

化工生產是以化學變化或化學處理為主要特徵的工業生產過程。在化學工業中，對原料進行大規模的加工處理，使其不僅在狀態與物理性質上發生變化，而且在化學性質生也發生變化，成為合乎要求的產品，這個過程即叫化工生產過程。以氯鹼生產為例說明化工生產過程的基本步驟。

可見，雖然電解反應為核心過程，但大量的物理操作佔有很大比重。另外象傳熱過程，不僅在制鹼中，在製糖、製藥、化肥中都需要，在傳熱過程物料的化學性質不變，遵循熱量傳遞規律，通過熱量交換的方式實現，所用設備均為換熱器，作用都是提高或降低物料溫度，為一普遍採用的操作方式。

因此我們將整個化工生產中(包括冶金、輕工、製藥等)那些普遍採用的、遵循共同的操作原理，所用設備相近，具有相同作用的一些基本的物理性操作，稱為“化工單元操作”。

化工原理課程是化學工業技術和化學工程科學發展的必然產物。十九世紀九十年代國外高等學校相繼設置化學工程系，開出的課程大都是針對不同化工行業編寫各自的生產工藝學，直到二十世紀初才明確認識到各行各業通用的物理操作的共性，並於二十年代出版了第一部化工原理教科書－Principles of Chemical Engineering，我國於上世紀二十年代創辦化學工程系，並開設化工原理課程。

以化學、物理和數學原理為基礎，研究物料在工業規模條件下，它所發生物理或化學狀態變化的工業過程及這類工業過程所用裝置的設計和操作的一門技術學科。化學工程學的進展：三階段：單元操作：20世紀初期。單元操作的物理化學原理及定量計算方法，奠定了化學工程做為一門獨立工程學科的基礎。“三傳一反”概念：20世紀60年代多分支：20世紀60年代末。形成了單元操作、傳遞過程、反應工程、化工熱力學、化工系統工程、過程動態學及控制等完整體系。

化工原理是一門關於化學加工過程的技術基礎課，它為過程工業（包括化工、輕工、醫藥、食品、環境、材料、冶金等工業部門）提供科學基礎，對化工及相近學科的發展起支撐作用。化工原理課程以單元操作為內容，以傳遞過程原理和研究方法論為主線，研究各個物理加工過程的基本規律，典型設備的設計方法，過程的操作和調節原理。化工原理課程教學包括三個環節，即：理論課教學、實驗課教學和課程設計。實驗課與理論課同步進行，課程設計安排在化工原理理論課之後進行。實驗課程的設計思想：培養學生動手能力、觀察能力、綜合分析和處理問題的能力。課程設計是一個總結性的教學環節，針對化工廠中一個實際的化工單元操作，完成主體設備的工藝設計，附屬設備的選型設計，主體設備總圖的繪製。通過課程設計，使學生掌握化工設計的程序和方法，學會查閱資料、使用手冊、選用數據和公式、合理確定工藝流程、正確進行工藝計算、用技術經濟的觀點評價設計結果，用文字數表圖紙表達設計思想、以及嚴謹認真的工作態度和工作作風。

一、課程的性質和目的

化工原理課程是化工類專業極其重要的基礎技術課程，是工程技術學科的一個分支，也是學生學習後繼專業課程的基礎。通過這門課的學習，學生應掌握常見單元操作的基本原理及典型化工單元設備的結構、造型、及工藝尺寸的計算，逐步培養學生的工程觀念，提高學生處理工程問題的能力。

二、課程教學的基本要求

本課程教學將化工單元操作按過程共性歸類，以“三傳”為主線開展教學。即以動量傳遞為基礎，闡述流體流動及輸送、非均相系的分離；以熱量傳遞為基礎，闡述傳熱操作；以質量傳遞的原理說明吸收、蒸餾等傳質單元操作；最後闡述熱量、質量同時傳遞的特點並介紹乾燥操作。

學生通過本課程的學習，應掌握化工生產所涉及的主要單元操作的基本概念、典型設備構造、操作原理、計算、選型及實驗研究方法等知識。本課程教學旨在培養學生運用基礎理論分析和解決化工單元操作中各種工程實際問題的能力，並為後續專業課程的學習和將來工作打下必要的基礎。教學中以流體流動、傳熱和傳質等相關的單元操作基礎理論為重點。

化工原理是化工類及相近專業的一門主幹課，是基礎課與專業課的橋樑，是必修的一門主要技術基礎課程。它是綜合運用所學數學、物理、化學等基礎知識，分析和解決化工生產中各種物理過程的工程學科。

其教學內容是以化工生產中的物理加工過程為背景，研究若干“化工單元操作”（流體流動、傳熱、吸收、蒸餾、乾燥、機械分離、蒸發、結晶、吸附、膜分離等）的基本原理、單元操作的典型設備構造、設備操作特性、過程和設備的設計與計算、設備的選擇與改造、研究問題的方法等。

化工原理屬工程科學，教學特點是強調工程觀點，強化對化工過程定量計算、定性分析及設計能力的訓練，重視理論和實際相結合，培養和提高學生認識問題、分析問題及解決問題的能力。

化工原理要解決的不僅僅是過程的基本規律，而是複雜的、真實的生產過程，它是用自然科學的原理考察、解釋和處理工程實際問題，其研究方法有兩類，一是理論解析，二是在理論指導下的實驗研究法。

化工原理作為一門應用性課程，其教學方式包括理論、實驗和課程設計三個教學環節，對學生在以下幾方面的能力得到訓練： 1) 根據生產工藝要求和物系特性，進行單元操作和設備選擇的能力訓練； 2) 通過查資料、實驗測取等手段，進行工程設計； 3) 能操作和調節生產過程，了解優化生產過程的方法； 4) 綜合已學知識對單元操作進行選擇、設置，進行組織、生產工藝過程，提高對過程和科學的研究能力

學習化工原理要解決的問題：

（1）如何根據各單元操作在技術上和經濟上的特點，進行“過程和設備”的選擇，以適應指定物系的特徵，經濟而有效地滿足工藝要求

（2）如何進行過程的計算和設備的設計。在缺乏數據的情況下，如何組織實驗以取得必要的設計數據。

（3）如何進行操作和調節以適應生產的不同要求。在操作發生故障時如何尋找故障的緣由。

當然，當生產提出新的要求而需要工程技術人員發展新的單元操作時，已有的單元操作發展的歷史將對如何根據一個物理或物理化學的原理髮展一個有效的過程，如何調動有利的並克服不利的工程因素髮展一種新設備，提供有用的借鑒。

1.傳遞過程（從物理本質上說又下列三種）

(1)動量傳遞過程（單相或多相流動）；

(2)熱量傳遞過程——傳熱

(3)質量傳遞過程——傳質

表1所列各單元操作皆歸屬傳遞過程，於是，傳遞過程成為統一的研究對象，也是聯繫各單元操作的一條主線。三傳+一反構成各種工藝製造過程，三傳又有彼此類似的規律可以合在一起研究，形成傳遞過程這門學科，是單元操作在理論方面的深入發展

2、研究方法論

必要性 化工原理是一門工程學科，對一些過程作出如實的、逼真的數學描述幾乎是不可能的。採用直接的數學描述和方程求解的方法將是十分困難的。因此，探求合理的研究方法是發展這門工程學科的重要方面。

(1)試驗研究方法（經驗方法）優點、不足

(2)數學模型方法（半理論半經驗方法）必要性、廣泛被應用

化工原理是一門工程性學科，強調工程觀點、定量計算、實驗技能和設計能力的訓練，是一門理論與實際相結合的學科，因而化工原理實驗教學和課程設計是化工教學中不可或缺的重要環節。實驗室陳列的設備均為實際生產設備的縮小或實際生產設備的簡化，與前置課程如《大學物理》、《大學化學》有很大的區別。在加強化工原理實驗教學中，我們一改以往從預習報告到實驗階段、實驗報告這種單一、機械的實驗教學方法。具體措施如下：

1）讓學生根據實驗內容、要求，查閱有關文獻，以小組為單位，自行設計實驗，包括工藝流程、設備安裝，實驗操作方法等；

2）實驗階段要求學生輪流當組長，採取組長負責制，先對實驗內容、方法、操作步驟、實驗中可能出現的問題及如何組織實驗說明清楚，再進行實驗；

3）有了感性認識后，組長進一步組織討論及修改實驗設計方案，並在全班公開討論評比；

4）進行實驗設計或工藝設計競賽，開發學生的創造潛力。整個實驗課教學中，力求培養學生嚴謹的科學態度，樹立實事求是的工作作風。對實驗報告的書寫，要求學生思路清晰、概念準確、文字通順以及原始數據、中間計算、處理、計算示例等要完整齊全，確保學生實驗有收穫。

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