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江苏自学考试传递与分离教材大纲

2006-11-13 15:08   【 】【我要纠错

  一、课程的性质及要求

  (一)本课程的性质和目的

  “传递与分离”是化学工程分支学科之一。它包含《化工传递过程基础》和《化工分离过程》,着重阐述动量、能量、质量的传递实质和规律,研究化工过程中的强度量分布和传递通量。阐述了常用的分离过程的基本理论,过程特点,建立了数学模型及其求解方法,讨论了分离设备的处理能力和效率。本课程是化工过程研究,设计和开发的理论基础,是化学工程专业基础课,是化学工程与工艺专业学生的必修课程。

  本课程以“高等数学”、“大学物理”、 “物理化学”、“化工原理”、“化工热力学”等为先修课程。

  通过本门课程的学习将达到如下二个基本目的。第一,深入了解和掌握传递过程和传质分离过程的现象、机理和数学模型。第二,初步具备能运用所学的传递及分离理沦知识对化学工程的生产、实验、研究进行分析的基本能力,对常见的传离与分离设备进行有关的设计计算,为从事化工类专业实际工作奠定必要的理论基础。

  (二)本课程的基本要求

  通过本门课程的学习,在“化工传递过程”部分要求能掌握:粘性流体的动基传递、热量传递和质量传递(以下简称三传)的微分衡算方程;根据给定的边界条件对方程进行简化、求解,并对所求结果的实际运用进行分析讨论。在“化工分离过程”部分要求掌握:常用分离过程的基本原理,过程特点,数学模型及求解方法;着重掌握多组分多级分离过程的分析及简捷算方法;了解新型分离技术。

  通过自学,切实掌握有关的基本概念、基本原理、基本求解方法以及基本计算方法。

  二、课程考核目标

  (知识要点、内容难点和考核要求)

  第一篇 传递过程

  第一章 传递过程概论

  (一)知识要点

  1、传递过程的研究对象

  2、传递过程的研究方法

  3、传递过程的名词和三传定义

  (二)考核要求

  1、分子传递唯象律表达式及各项物理意义

  2、涡流传递唯象律表达式及各项物理意义

  3、传递通量的表述

  第二章  连续性方程与运动方程

  (一)知识要点

  1、连续方程的建立(微分质量方程)

  2、微分动量方程的建立

  3、方程的简化、特例和在其他坐标系下的方程

  (二)内容难点

  1、方程建立的思路、依据、步骤和推导

  2、连续性方程的两种表达式的形式与物理意义

  (三)考核要求

  1、根据具体的物理过程和特定条件建立简单的微分质量方程(推导)

  2、根据所给条件对连续性方程进行简化

  3、随体导教的正确表达、各项的物理意义的说明

  4、认识并理解其他坐标系下的连续方程

  5、总衡算方程不作要求

  第三章 运动方程的应用

  (奈维-斯托克斯方程的应用)

  (一)知识要点

  1、奈维-斯托克斯方程在稳定、层流状态下,沿平板、圆管流动时的应用-求解速度分布

  2、流线定义、特点及流线方程

  3、流函数定义、使用条件及表达式

  4、势(位)函数定义、使用条件及表达式

  (二)内容难点

  1、方程的简化

  2、简化后方程的求解

  (三)考核要求

  1、奈维-斯托克斯方程在直角坐标、柱坐标和球坐标系下正确使用和简化过程

  2、速度分布和应力分布的计算

  3、流线、流函数、位函数的概念、使用条件、对应方程和方程的应用

  第四章 边界层流动

  (一)知识要点

  1、速度边界层定义、边界层的形成、发展和分离

  2、边界层微分方程的建立

  3、边界层积分方程的建立

  (二)内容难点

  1、准数方程、量级分析和边界层微分方程的建立

  2、边界层积分方程的建立

  (三)考核要求

  l、边界层的概念及定义

  2、掌握边界层分离条件和分离后果

  3、沿平板流动时,层流边界层的速度分布,应力分布、流量的求取

  第五章  湍  流

  (一)知识要点

  l、湍流的特点、起因及表征

  2、瞬时量、脉动量和时均量

  3、湍流运动方程

  4、混合长及动量涡团传递理论

  5、通用速度方程

  6、粗糙管中的湍流

  (二)内容难点

  1、湍流的表征

  2、用均时量表征瞬时量的思想及表述方法

  3、湍流公式的推导

  (三)考核要求

  1、湍流概念

  瞬时值的表达;混合长概念及表达;光滑管和粗糙管概念;水力光滑、半粗糙及完全粗糙概念

  2、通用速度分布方程的熟练使用

  包括:计算层流内层、缓冲层、核心层内的速度分布和各层层厚计算

  3、光滑管和粗糙管的阻力计算

  4、沿平板湍流计算

  第六章  热量传递概论与能量方程

  (一)知识要点

  1、传热的三种方式及机理

  2、能量微分方程的推导

  (二)考核要求

  l、熟悉不同坐标系下的能量方程表达式

  2、根据已知条件对能量方程进行简化

  3、根据已知条件建立简单情况下的能量衡量方程

  第七章热传导

  (一)知识要点

  l、热传导的基本微分方程

  2、一维稳态热传导

  3、不稳态热传导

  4、速算图及多维热传导(New mare法则)

  (二)内容难点

  l、毕涡特数Bi(Biot Number)的定义及物理意义

  2、三类边界条件的分类、识别、互相转换关系

  3、解析解的推导和不同边界条件下的解

  4、各坐标系下的速算图的运用及图中各个参数的含义。

  (三)考核要求

  1、熟悉基本热传导的微分方程

  2、集总热容法的判别和正确运用

  3、无限大物体不稳态导热的计算

  4、对薄平板双向或单向不稳态导热要求会用速算图求解

  5、上述的运用、计算、求解要求求出具体的温度随时间、地点的分布规律:求出热量通量(单位面积所传递的热量,J/m2.s)和传热速率(J/S)

  6、扩展表面的导热和二维稳态导热的数值解不作要求

  第八章  对流传热

  (一)知识要点

  l、对流传热机理及对流传热系数的定义

  2、温度边界层概念

  3、层流下沿板热量传递的精确解和近似解

  4、湍流传热的类似律(类比解)

  (二)内容难点

  l、精确解的推导思路

  2、近似解的推导过程

  3、类比解的思想

  (三)考核要求

  l、温度边界层的概念

  2、努赛尔准数(Nu)定义、物理意义及与Bi数的区别

  3、层流、湍流沿平板稳态流动时的边界层内的温度分布、对流传热系数的计算、传热通量和传热速率的计算

  4、类比解,尤其是要掌握Jh因子类似法,会用阻力系数f(或(Cd)求取对流传热系数

  5、冷凝和沸腾传热不在本课程要求范围

  第九章  质量传递概论与传质微分方程

  (一)知识要点

  l、分子扩散传质与对流传质的概念与机理

  2、浓度、速度与通量的定义

  3、质量传递微分方程的建立

  (二)内容难点

  1、质量基准、摩尔基准两种基准下的浓度、速度、通量的表达式

  2、同种基准和不同基准下浓度、速度和通量的互相转换关系

  (三)考核要求

  l、不同坐标系下的质量传递微分方程的识别

  2、上述方程在特定条件下的简化

  3、双组分混合物扩散传质时,总通量、扩散通量,组元传质量的表达式;各项对流传质贡献;通量之间的关系,通量与对应速度的关系,不同基准之间的转换方法。

  第十章  分子传质

  (一)知识要点

  1、气相、液相和固相分子扩散系数的表达式

  2、组分A通过静止组分B的稳态扩散传质(NB=0)

  3、等摩尔反向稳态扩散传质(NA=NB)

  4、在静止介质(或固定介质)中不稳定扩散

  (二)内容难点

  1、平板、圆柱内一维稳态扩散

  2、不稳态扩散传质的分析解、图解及相平衡关系

  (三)考核要点

  1、分子扩散系数的计算

  2、一维稳态扩散(NB=0,NA=NB)时,浓度分布和传质通量的计算

  3、一维不稳态扩散,半无限大物体中的不稳态扩散(用公式求解)。

  4、多组分混合物扩散不作本课程的要求

  第十一章  对流传质

  (一)知识要点

  l、浓度边界层的概念与温度、速度边界层的区别

  2、对流传质系数定义

  3、沿平板层流传质的精确解和近似解

  4、沿圆管层流传质的精确解和近似解

  5、湍流传质的类比解

  6、沿平板湍流传质的近似解

  7、相际传质理论

  (二)内容难点

  l、各个对流传质系数的定义及彼此转换关系

  2、精确解的求解过程

  3、uys≠0对对流传递系数的影响

  (三)考核要点

  l、浓度边界层、温度边界层、速度边界层的对比讨论

  2、浓度边界层对传质的影响

  3、对流传质系数的求取和传质速率方程

  4、沿板层流传质的浓度分布及传质通量(uys =0)

  5、沿板湍流传质的浓度分布及传质通量(uys =0)

  6、湍流传质的类比解,着重掌握J因子法

  7、相际传质理论的概念,物理意义与模型的计算。模型指:双膜模型、溶质渗透模型和表面更新模型

  8、对流传质系数关联式,有壁面速度影响的传质不作要求

  第二篇  分离过程

  第十二章  分离过程绪论

  (一)知识要点

  1、分离过程在工业生产中的重要性

  2、分离过程的分类和特征

  (二)考核要点

  1、平衡分离过程的分离单元操作分类和特征

  2、速率分离过程的分离单元操作分类和特征

  第十三章  单级平衡过程

  本章着重阐述分离传质基础-相平衡。相平衡是用于阐述混合物分离原理、传质推动力和进行设计计算的依据和关键。

  (一)知识要点

  l、汽液平衡和溶液平衡条件

  2、相平衡常数的计算

  3、多组分的泡点温度、压力和露点温度和压力的计算

  4、闪蒸过程的计算

  (二)内容难点

  l、热力学中所学的状态方程的回顾与掌握

  2、有关活度、活度系数定义和计算

  (三)考核要点

  l、名词与定义

  结合化工热力学,回顾、熟悉有关与相平衡相关的基本概念及术语;泡点、露点及闪蒸的概念;理想与非理想溶液定义及表达,理想与非理想气体定义及表达

  2、由状态方程求取相平衡常数

  3、由活度系数法求取相平衡常数及其各种简化形式

  4、泡点、露点的温度和压力计算

  5、程序设计不做要求

  第十四章  多组分级分离过程分析与简捷计算

  在化工生产实际中,遇到更多的是含有多组分或复杂物系的分离和提纯问题,而不是化工原理中所涉及的双组分或单组分体系,这就增加了过程的复杂性。因此本章的学习将有助于对各种实际分离过程的深入理解,是本篇不可少的基础知识。

  (一)知识要点

  1、设计变量

  2、多组分精馏过程的分析

  3、萃取精馏和共沸精馏等特殊精馏的分析

  4、物理吸收和化学吸收的分析

  5、萃取分离过程的分析

  (二)内容难点

  l、多组分精馏过程分析,包括:塔内流量分布、浓度分布和温度分布

  2、萃取精馏过程原理分析,包括:塔内流量分布、溶剂浓度分布

  3、共沸精馏过程原理分析,包括:塔内组分分析、温度分析

  4、多组分吸收和蒸出过程分析,包括:塔内组分分布、温度分布

  (三)考核要点

  由于是多组分级分离,增强了过程的复杂性,因此对过程的定性分析的了解,有助于对各种分离过程的理解,这也是设计和强化操作的所不可少的基础知识,为此要求掌握:

  l、基本概念。在回顾复习化工原理的基础上,进一步掌握设计变量、固定设计变量,可调设计变量;关键组分,非重(轻)关键组分,最小回流比,最小理论板数,共沸物,共沸精馏,萃取剂,萃取精馏,正偏差,负偏差,均相,非均相,化学吸收类型,增强因子等

  2、掌握简单的单元设计变量和装置设计变量计算

  3、简捷计算法,简捷计算常用于设计的初级阶段,是对操作进行粗略分析的常用算法,本章要求掌握的简捷算法。

  用于多组分精馏设计的有:

  ①芬斯克(Fenske)法

  ②恩德吾德(Underwood)法

  ③吉利兰(Gilliland)法

  用于共沸精馏的有:

  ④二元非均相共沸精馏的图解法

  用于萃取精馏的有:

  ⑤萃取精馏的简化计算法,集团法

  用于吸收的有:

  ⑥多组分吸收的吸收因子法

  通过以上简捷算法,要求能够进行塔内的物料衡算,计算理论和实际塔板数,回流比,进、出口气、液量及组成的计算

  4、判别化学吸收的类型,识别四种反应类型的化学吸收的浓度分布图。了解不同类型不同反应级数的增强因子表达式

  5、化学吸收的塔设备计算

  6、多组分级分离的严格计算不做要求

  第十五章  分离设备的处理能力和效率

  本章内容所涉及的是传质设备问题,重点讨论影响气液或溶液传质设备处理能力和效率的各种因素。确定效率的经验方法和机理模型,以及传质设备的选型问题。

  (一)知识要点

  l、影响传质设备处理能力的各种因素

  2、影响传质设备处理效率的各种因素

  3、气液传质设备效率的几种表示方法

  4、气液传质设备效率的估算方法

  5、传质设备的选型

  (二)考核要点

  l、影响处理能力、效率的因素分析

  2、各传质效率的物理意义与求算方法

  3、传质设备的选择原则

  4、萃取设备的处理能力和效率不做考核要求

  第十六章  其它分离技术和分离过程的选择

  随着科学技术的不断发展,对分离技术的要求越来越高,分离的难度也越来越大的过程。为了适应这些要求,除对常规分离手段加以改进和强化外,还不断开发出新的分离方法和技术。本章介绍了一些重要的并日趋成熟的新分离技术。

  (一)知识要点

  1、膜分离技术

  2、吸附分离技术

  3、反应精馏技术

  (二)内容难点

  1、对各种分离过程的选择

  (三)考核要求

  1、几种主要的膜分离过程的分类、推动力、传质机理、截留物、透过物

  2、膜分离的基本术语。如渗透通量、分离效率(截留率),通量衰减系数,对除膜,非对称膜,复合膜,浓差极化、膜污染等

  3、所用膜材料和膜组体的形式

  4、反渗透、超滤、微滤、电渗析、气膜和液膜分离的传质基本机理

  5、吸附分离原理

  三、有关说明和实施要求

  (一)自学教材

  本课程使用教材为:

  1、《化工传递过程基础》,陈涛,张国亮主编,化学工业出版社(第二版),2002年。

  参考书:

  ①王运东,骆广生,刘谦。《传递过程原理》,北京:清华大学出版社,2002年。

  ②沙庆云。《传递原理》,大连:大连理工大学出版社,2003年。

  2、《化工分离过程》,陈洪钫,刘家祺主编,化学工业出版社,1995年。

  参考书:

  ①贾绍义。《化工传质与分离过程》,北京:化学工业出版社,2001年。

  (二)自学方法的指导

  全面系统地学习教材内容,注意掌握传递过程和分离过程中基本概念,基本原理,基本方程和解题方法,注意在运用上下功夫。动量、热量和质量传递之间的相互关系、规律和各自的特点要注意归纳,做到举一反三。注意传质分离过程的特性及传质分离操作的强化手段和分离设备的优化计算。

  l、本门课程分为两篇四部分内容

  第一篇分为三部分

  (1)动量传递  建立动量传递方程组,介绍方程组礁层流、湍流中的应用。其应用是指在特定的条件下求解:流体的速度分布、应力分布及流量计算。介绍边界层概念和方程,湍流概念和方程。这部分内容是学习传递过程的基础,务必一开始就扎扎实实地加以掌握。

  (2)热量传递在这部分内容中首先建立了热量传递方程组,接着在稳态、非稳态热传导和稳态层流、湍流传热领域展开讨论。主要解决在定解条件下固体、流体内的温度分布、局部热量通量和总热流率。稳态导热中要掌握一维导热例子(直角坐标和柱坐标)。在非稳态导热中注意对毕渥特数(Bi)的判别,掌握集总热容法(Bi<0.1),和无限大物体导热的高斯误差函数法,其它情况可采用图解法计算。对沿板的精确解、近似解所导出的公式会正确使用,如利用公式求解温度分布、边界层层厚及热流通量。类比解主要是用在湍流传递中,其思想是利用较易得到的摩擦阻力系数类推得出湍流传热系数和湍流传质系数或是用对流传热系数类推出对流传质系数,类比解注意对J因数类似法的掌握运用。

  (3)质量传递在上述部分基础上,进一步讨论了与化工生产最为密切的质量传递,它是传递与分离过程间的桥梁。在这部分中建立了组元的质量传递方程,用于解决浓度分布问题,介绍了传质方式和原理,介绍了对流传质系数的定义和在层流、湍流下传质系数的求解公式。这部分内容在方程的建立,求解思路和所用的数学解法与(1)(2)部分雷同,学习时可注意借鉴上述知识。学完这部分内容后,注意全篇的融会贯通、归纳整理。如每一部分开始都是建立各自的微分方程。三传的层流解、湍流解、类比解、图解等都可加以归纳。进行对比找出一些共性的规律。

  第二篇为独立一部分

  (4)分离过程  该部分在(1)、(2)、(3)部分基础上,结合化工原理、化工热力学知识,讨论工业应用最广泛的精馏、吸收和萃取操作,同时对已获得工业应用目具有良好运用前景的膜分离技术等新型分离技术也做了简单介绍,这部分着重强调对基本概念、过程的选择、特性分析、设备计算的掌握。从分离工程的共性出发,讨论各种分离方法的特征。强调将工程和工艺相结合的观点,以及设计和分析能力的训练。本篇的重点章节是十三、十四章。

  2、学习时结合化工原理、物理化学和化工热力学的知识,准确理解基本概念、定义。本课程所涉及的内容面广、概念多、所用数学手段多、部分内容较为抽象造成自学有一定的难度。学习时应当一个部分一个章节的学习、理解,在消化的基础上进行下一部分的学习,学习过程还要不断的小结、回顾,切忌囫囵吞枣。

  3、学用结合  学习本课程不能只停留在知道几个概念、公式,要注意所学知识的运用。应用分为二方面。一方面是通过做题加深理解。本课所涉及的原理、公式解等要通过大量做题才能加强理解,加深印象。所以首先要将教材中有关例题务必看懂。看例题时先弄清该例题要解决什么问题,思考需要什么概念、方程和解题方法,要先试做再与例题解对照(做到事半功倍)。除此之外还要从教材和参考书选择部分习题独立完成。通过这些例题和习题的练习(加强理解,应用的第二方面是初步掌握应用)所学知识研究和处理在化工生产过程中的开发问题,设计中遇到的工程问题,实验研究中的建模问题。

  (三)对社会助学的要求

  (1)帮助同学切实抓住各章考核要点,学握知识点,理清各部分内容的内在联系,同时兼顾一般内容。

  (2)解决学习中疑难问题,建立正确的学习方法。课程中的基本方程的建立,微分方程在各定解条件下的运用,各个图解的正确使用应注意辅导。适当复习高等数学知识,但又要避免陷入纯数学的推导,强调对各模型、方程的物理实质理解,强调对使用条件的掌握。

  (3)通过例题讲解、作业分析和课堂讨加深同学对课程内容的理解。可分四个阶段分别举行复习、答疑、小结,巩固所学知识。注意帮助提高同学分析问题和解决问题的能力,做到举一反三,提高自学能力。

  (四)关于命题和考试的若干规定

  1、本课程的命题考试,根据本大纲规定的考试内容和考试目标来确定考试范围和考核要求,不随意扩大或缩小考试适当突出考核要点,体现本课程的重点内容。

  2、试题合理安排难度结构。试题难易度分为易、较易、较难、难四个等级,每份试卷中,不同难易试题试题的分数比例一般为:易占20%,较易占35%,较难占30%,难占15%。试题的难易度与能力层次不是同一个概念,在各能力层次中存在不同难度的命题。

  3、本课程考试试卷可能采用的题型有:分为基本概念题和计算题。概念题(70%)又分为:单选题、填空题、名词解释、简答题;计算题(30%)。

江苏省教育考试院

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