国内外化工类核心课程《化工原理》教材与教学对比
(调研报告5)
钟理 赖万东
（华南理工大学 化学与化工学院）
[摘要]本文考察了北美大学化学工程专业目前使用最流行《Unit Operations of Chemical Engineering》教材(国内称之为化工原理)，对教材的教学内容进行了初步的分析，并与国内大学化学工程专业《化工原理》教材及教学内容进行了对比分析，对国内化学工程专业《化工原理》课程教学计划的制定、修订以及教学改革具有一定的参考价值。
1 引言
《化工原理》是国内外高校化工类专业本科生核心课程的核心，通常安排在修完高等数学、物理、无机及有机化学、物理化学等学科基础课后的大三上学期开设，目的在于初步培养学生的工程观念，使学生最初接触与了解化学工程学科及应用，让学生掌握化工单元操作基本原理、基本设备结构、用途、并初步掌握设备的选型及设计。该课程是实验与科学相结合的课程，通过课程学习，提高学生的理论水平，教会学生运用所学的数学和物理知识及实验方法，分析、解决化工过程中的实际问题，是学生从基础教育走向专业教育的桥梁和纽带。在美国大学学习时，学生通常必须达到B以上的成绩才算合格，可见，该课程在美国大学化工类课程中的重要性。由于《化工原理》课程的是采用宏观分析方法且主要采用初等数学与物理方法解决化工过程的问题，求解运算并不涉及复杂的数学推导过程，而是更注重学生工程实际能力培养，学生在大一和大二时主要学习的理论知识，并未接触实际的工程问题，因此，本科生普遍开始对该课程有畏惧之感，尤其是工程实际与理论之间存在差异，学生普遍感到较难接受，这些都制约了学生学习这门课程的积极性。
笔者分别于1996年、2002年，2004年在美国的宾夕法尼亚大学、斯坦福大学、密西西比大学、加拿大的阿伯塔大学、大不列颠哥伦比亚大学进行过访问，并为美国大学本科生讲授了一年的《化工原理》课程，并指导大学本科生的单元操作实验，对美加大学化学工程专业的《化工原理》课程教学、教学计划、教材选用等有一定了解；在国内从1982年开始为华南理工大学本科生讲授《化工原理》课程，1996年开始率先在国内高校中采用美国本科生原版《化工原理》教材为国内本科生讲授该课程，并采用外语授课，下面对美加大学与国内大学的《化工原理》课程教材、教学内容进行比较，考察各自的特点及相同之处，以便为我国大学《化工原理》教材及课程教学改革提供参考。
目前国内《化工原理》教材主要有
1、钟理、伍钦、马四朋、曾朝霞主编，化工原理上下册，化工出版社，2008；
2、邹华生、钟理、伍钦主编，流体力学与传热，华南理工大学出版社，2005；
3、伍钦、钟理、曾朝霞主编，传质与分离工程，华南理工大学出版社，2006；
4、黄少烈、邹华生编，化工原理，高等教育出版社，2001；
5 姚玉英等主编，化工原理，化工出版社，2002；
6 杨祖荣等主编，化工原理，化工出版社，2004；
7 祁存谦主编，化工原理，化工出版社，2006；
8 蒋维钧等主编，化工原理（第二版），清华大学出版社，2003。
美国与加拿大高校采用的《化工原理》教材主要有
1、Warren L McCabe, Julian C Smith, Peter Harriott. Unit Operations of Chemical Engineering, New York: McGraw-Hill Companies, Inc. 7th, 2005.
2、Christie J Geankoplis. Transport Process and Unit Operations. 3rd edition. Pretice-Hall Inc. 1993.
等教材。
国内华南理工大学目前用使用的中文《化工原理》教材是钟理、伍钦、马四朋、曾朝霞主编，化工原理上下册，化工出版社，2008，美加大学使用最普遍的《化工原理》教材是Warren L McCabe, Julian C Smith, Peter Harriott. Unit Operations of Chemical Engineering, New York: McGraw-Hill Companies, Inc. 7th, 2005。下面将重点比较钟理、伍钦、马四朋、曾朝霞主编的中文《化工原理》上下册，化工出版社，2008，与Warren L McCabe, Julian C Smith, Peter Harriott. Unit Operations of Chemical Engineering, New York: McGraw-Hill Companies, Inc. 7th, 2005教材。并对各自的教学内容进行对比分析。
钟理等教材目录
| Warren L McCabe, Julian C Smith, Peter Harriott.教材目录 |
化工原理上册
0 前言
0.1.概述
0.2．单位制和单位的换算
0.3单元操作的几个基本定律及关系
0.4课程特点，内容及任务
第一章
1.1 流体的基本特性
1.2 流体的静力平衡及其应用
1.3 流体动力学基础
1.4 流体流动的守恒原理
1.5 流体流动的阻力损失
1.6 流体流动的管路计算
1.7 流体动力学在工程上的应用 第二章 流体输送机械
2.1 概述
2.2 离心泵
2.2.1 离心泵的主要部件和工作原理
2.2.2 离心泵的基本方程式
2.2.3 离心泵的主要性能参数与特性曲线
2.2.4 离心泵的安装高度
2.2.5 离心泵的工作点和流量调节
2.2.6 离心泵的组合操作
2.2.7 离心泵的类型与选用
2.3 其它类型泵
2.3.1 往复泵
2.3.2 计量泵
2.3.3 隔膜泵
2.3.4 齿轮泵
2.3.5 螺杆泵
2.3.6 旋涡泵
2.4 气体输送机械
2.4.1 概述
2.4.2 离心式通风机
2.4.3 离心式鼓风机和压缩机
2.4.4 罗茨鼓风机
2.4.5 往复式压缩机
2.4.6 真空泵 第三章 非均相物系分离
3．1 概述
3．2 颗粒与颗粒床的特性
3.2.1 颗粒的特性
3.2.2 颗粒床的特性
3.3 颗粒的沉降
3.3.1 重力沉降与设备
3.3.2 离心沉降与设备
3.3.3 电沉降——电除尘器
3．4 过滤
3．4．1 过滤过程的基本概念
3．4．2 过滤过程的基本理论及过滤方程
3．4．3 过滤过程计算
3．4．4 过滤常数的测定
3．4．5 过滤设备
3．4．6 滤饼洗涤
3．4．7 过滤生产能力
第四章 传热与换热设备
4.1 概述
4.2 能量方程
4.2.1 能量方程的推导
4.2.2 能量方程的特定形式
4.3 热传导
4.3.1 热传导基本概念
4.3.2 傅立叶（Fourier）定律
4.3.3热传导系数λ
4.3.4 平壁的稳态热传导
4.3.5 圆筒壁一维稳态热传导
4.3.6 有内热源的一维稳态热传导
4.4 对流传热
4.4.1对流传热及其类型
4.4.2 对流传热速率与对流传热系数
4.4.3 对流传热系数的影响因素
4.4.4 与传热有关的准数及准数关联式的确定方法
4.5 流体无相变时的对流传热系数
4.5.1 流体在管内强制对流传热
4.5.2 流体在管外强制对流传热
4.6 有相变流体的对流传热
4.6.1蒸气冷凝传热
4.6.2 沸腾传热
4.7 辐射传热
4.7.1 基本概念和定律
4.7.2两固体间的辐射传热
4.7.3 对流和辐射的联合传热
4.7.4 管外的热损失
4.8 总传热速率和传热过程计算
4.8.1总传热速率方程
4.8.2热量衡算
4.8.3总传热系数K
4.8.4换热器的平均温度差
4.8.5 传热效率法
4.9 换 热 器
4.9.1换热器的类型
4.9.2 强化传热技术及新型的传热设备
4.9.3列管式换热器设计时应考虑的问题
4.9.4 列管式换热器的选用和设计步骤 第五章 蒸发
5.1 蒸发设备
5.2蒸发过程的影响因素和沸点校正
5.3单效蒸发
5.4多效蒸发
5.5 冷凝器
5.6多效蒸发的综合分析
5.7多效蒸发中的最佳效数
5.7.1 多效蒸发的生产能力和强度 化工原理下册 蒸馏
1.1概述
1.2双组分溶液的气液平衡关系
1.2.1 双组分气液平衡时的自由度
1.2.2双组分理想物系气液平衡
1.2.3 双组分理想物系气液平衡相图
1.2.4 双组分非理想物系的气液平衡
1.3平衡蒸馏和简单蒸馏
1.3.1 平衡蒸馏
1.3.2 简单蒸馏原理及其计算
1.4 精馏原理与流程
1.4.1 精馏原理
1.4.2精馏塔和精馏操作流程
1.5 双组分混合液连续精馏的计算
1.5.1理论塔板的概念与恒摩尔流的假设
1.5.2 物料衡算和操作线方程
1.5.3 进料热状况的影响与q线方程
1.5.4 理论板数的求法
1.5.5 几种特殊情况时的理论板层数的计算
1.5.6 回流比的影响及其选择
1.5.7 理论板层数简捷法求算
1.5.8 板效率、实际塔板数和塔高与塔径的计算
1.5.9连续精馏过程再沸器和冷凝器的工艺计算
1.5.10 精馏塔操作分析
1.6 双组分间歇精馏
1.6.1 间歇精馏的过程与特点
1.6.2 塔顶馏出液组成xD恒定的间歇精馏计算
1.6.3 操作回流比R恒定的间歇精馏计算
1.7 多组分精馏基础
1.7.1 多组分精馏流程的选择
1.7.2 多组分的气液相平衡
1.7.3 多组分精馏的关键组分及物料衡算
1.7.4回流比的确定
1.7.5简捷法确定理论板层数
1.8 特殊精馏
1.8.1 恒沸精馏
1.8.2萃取精馏
1.8.3 熔盐精馏和加盐萃取精馏 第二章 吸收
2.1 吸收过程的气液相平衡
2.1.1气体的溶解度
2.1.2亨利定律
2.1.3气液相平衡关系在吸收过程的应用
2.1.4吸收剂的选择
2.2吸收过程的传质动力学
2.2.1物质在单一相内的传递机理
2.2.2对流传质
2.2.3两相间的传质
2.3 吸收过程的数学模型与速率方程
2.3.1双膜理论
2.3.2溶质渗透理论
2.3.3表面更新理论
2.3.4 吸收速率方程式
2.4吸收塔的计算
2.4.1吸收塔的物料衡算与操作线方程
2.4.2吸收用量的决定
2.4.３塔径的计算
2.4.４填料层高度计算
2.4.5理论级数及其与塔高的关系
2.5吸收系数
2.5.1吸收系数的测定
2.5.2吸收系数的经验公式
2.5.3 吸收系数的准数关联式
2.6解脱及其它条件下的吸收
2.6.1解吸
2.6.2高浓度气体吸收
2.6.3非等温吸收
2.6.4化学吸收 第三章 塔式气液传质设备
3.1板式塔
3.1.1概述
3.1.2塔板类型及板上的流体流动现象
3.1.3常见溢流式塔板的结构与特点
3.1.4 板式塔的工艺结构设计及流体力学验算
3.1.5 板式塔的塔板效率
3.2填料塔
3.2.1 概述
3.2.2填料的特性参数与种类
3.2.3 填料塔的流体力学特性
3.2.4 填料塔的计算 第四章 液—液萃取
4.1萃取的相平衡与物料衡算的图解规则
4.1.1液液相平衡
4.1.2温度对相平衡关系的影响
4.1.3萃取过程在三角形相图上的表示
4.1.4萃取剂的选择
4.2萃取过程的计算
4.2.1单级萃取的计算
4.2.2多级错流接触萃取的计算
4.2.3多级逆流接触萃取的计算
4.3液—液萃取设备
4.3.1混合—澄清槽
4.3.2塔式萃取设备
4.3.3离心式萃取设备
4.3.4液—液传质设备的流体流动和传质特性
4.3.5萃取设备的选择 第五章 干燥
5.1 概述
5.1.1干燥的目的
5.1.2 干燥方法
5.1.3 对干燥过程的影响因素
5.2湿空气的性质和湿物料的性质
5.2.1 湿空气的性质
5.2.2 湿空气的焓—湿图及应用
5.3 湿物料的性质
5.3.1物料的湿含量
5.3.2 物料的分类
5.3.3 物料与水分的结合状态
5.4干燥过程的物料衡算和热量衡算
5.4.1 物料衡算
5.4.2 热量衡算
5.4.3空气通过干燥器时的状态变化
5.4.4 干燥器的热效率和干燥器节能
5.5干燥动力学及干燥时间
5.5.1 干燥动力学试验
5.5.2干燥时间的计算
5.5.3干燥介质状态参数变化时的干燥时间计算
5.6 干燥器
5.6.1干燥器的分类和选择
5.6.2 隧道干燥器和厢式干燥器
5.6.3转筒干燥器
5.6.4带式干燥机
5.6.5转鼓干燥器
5.6.6 喷雾干燥
5.6.7 流化床干燥
5.6.8 气流干燥
5.6.9 微波和高频干燥 第六章 新分离技术
6.1膜分离
6.1.1 各种膜分离技术的介绍
6.1.2 膜组件
6.1.3气体分离过程
6.1.4 液体分离过程
6.1.5膜污染和控制
6.2超临界萃取
6.2.1概述
6.2.2超临界萃取技术的应用
6.2.3 超临界萃取设计概要
6.2.4超临界流体萃取的流程
6.2.5 SFE主要设备的研究现状
6.3分子精馏
6.3.1 分子精馏的操作原理及特点
6.3.2设计问题
6.3.3分子蒸馏器类型及发展趋势 | Preface
Section I Introduction
1 Unit Operations
Unit System
Dimesional Analysis
Basic Concepts
Section II Fluid Mechanics
2 Fluid Statics and Its Applications
Hydrostatic equilibrium
Applications of Fluid Statics
3 Fluid Flow Phenomena
Laminar flow, shear rate, and shear stress
Rheologic Properites of Fluids
Turbulence
Boundary Layers
4 Basic equations of fluid flow
Mass balance in a flowing fluid: Continuity
Differential Momentum Balance
Mechanical energy equation
5 Incompressible flow in pipes and channels
Shear stress and skn friciton in pipes
Laminar flow in pipes and channels
Turbulent flow in pipes and channels
Frition from changes in velocity or direction
6 Flow of compressible fluids
Definitions and basic equations
Processes of compressible flow
Isentropic flow through nozzels
Adabatic friction flow isothermal friction flow
7 Flow past immersed bodies
Drag and drag coefficients
Flow through beds of solids
Motion of particles through fluids
Fluidization
8 Transportation and metering of fluids
Pipe, fittings and valves
Pumps
Fans, blowers and compressors
Measurement of flowing fluids
9 Agitation and mixing of liquids
Agitated vessels
Blending and mixing
Suspension of solid particles
Dispersion operations
Agitator selection and scaleup Section III Heat transfer and its applications
10 Heat transfer by conduction
Basic law of conduction
Steady-state conduction
Unsteady-state conduction
11 Principles of heat flow in fluids
Typical heat exchanger equipment
Energy balances
Heat flux and heat trnasfer coefficients
12 Heat transfer to fluids without phase change
Boundary layer
Heat transfer by forced convection in laminar flow
Heat transfer by forced convection in turbulent flow
Heat transfer in transtion region between laminar and turbulent flow
Heat transfer to liquid metals
Heating and cooling of fluids in forced convection outside tubes
Natual convection
13 Heat transfer to fluids with phase change
Heat transfer from condensing vapors
Heat transfer to boiling liquids
14 Radiation heat transfer
Emission of radiation
Absorption of radiation by opaque solids
Radiation between surfaces
Radiation to semitransparent materials
Combined heat transfer by conduction-convection and radiation
15 Heat exchnager equipment
Shell-and-tube heat exchanger
Plate-type exchanger
Extended-surface equipment
Scraped-surface exchanger
Condenser and vaporizer
Heat transfer in agitated vessels
Heat transfer in packed beds
16 Evaporation
Types of evaporators
Performance of tubular evaporators
Vapor recompression Section iV Mass transfer and its applications
17 Principles of diffusion and mass transfer between phases
Therory of diffusion
Prediction of diffusiviites
Mass-transfer theories
Mass transfer coefficients
18 Gas absorption
Packing s and packed tower design
Principles of absorption
Absorption from rich gases
Mass transfer correlations
Absorption with chemical reaction
19 Humidification operations
Definitions
Humidity chart
Wet bulb temperatture
Cooling towers
20 Equilibrium stage operations
Equipment for stage contacts
Principles of stage processes
21 Distillation
Flosh dislillation
Continuous distillation with reflux
Enthalpy balances
Design of sieve plate columns
Plate efficiency
Distillation in packed tower
Batch distillation
22 Introduction to multicomponent distillation
Phase equilibria in multicomponent distillation
Flash distillation of multicomponent mixtures
Fractionation of multicomponent mixtures
Azeotropic and extractive distillation
23 Leaching and extraction
Leaching
Liquid extraction
Sepecial extraction techniques
24 Drying of solids
Principles of drying
Cross circulation drying
Through circulation drying
Freeze-drying
Drying equipment
25 Fixed-bed separations
Adsorption
Adsorption equipment
Ion exchange
Chromatography
26 Membrane separation processes
Separation of gases
Separation of liquids
27 Crystallization
Crystal geometry
Equilibria and yields
Nucleation
Crystal growth
Crystallization equipment
Crystallizer design: crystal size distribution
Crystallization from melts Section V Operations involving particulate solids
28 Properties and handling of particulate solids
Characterization of soild particles
Properties of masses of particles
Mixing of solids
Size reduction
Ultrafine grinders
29 Mechanical separations
Screening
Fliltration; general considerations
Cake filters
Clarifying filters
Crossflow filtration; membrane filters
Gravity sedimentation processes
Centrifugal sedimention processes |
从上述教材教学内容可见，Warren L McCabe, Julian C Smith编写的《化工原理》教材分为5大部分，29章，内容包括了流体力学，输送设备，非均相分离，传热，蒸发，吸收，蒸馏，干燥，过滤，塔设备，搅拌、膜分离，结晶，吸附、色谱分离等部分，涉及了整个化工单元过程及装备，同时也加入了三传的基本原理，如分子传递与对流（涡流）传递，同时还介绍了稳态与非稳态两种过程，此外，还列举了计算机程序解决单元过程的计算，内容全面且深浅适宜，全书更侧重于化工过程的应用。我校钟理等主编的《化工原理》将其分为上下两册，上册重点介绍流体力学与传热，下册介绍传质与分离工程，同时还介绍了新的分离技术，这样编写主要考虑到我国化工原理教学大纲与计划安排，尽管该书也考虑了理论与工程实际的结合，但总体来说，与国外教材对比仍有一些差距，主要在化工过程实际应用的实例较少。某些单元操作如吸附、搅拌、结晶等均未涉及，这也是我国化工原理教材不足之处。在今后教材编写等方面必须借鉴国外教材的教学内容，更注重工程实际过程，在帮助学生掌握相关的理论知识同时，使更多的学生了解与掌握工程应用，培养学生建立“理论—实验—工程应用”的观念。
结束语
通过比较国内外《化工原理》教材与教学内容，找出两者之间的相同之处与特点，对我国高等教育传递现象教学与国际接轨，引用国外优秀教材以及国内传递现象教材编写提供参考具有一定的意义。通过教材与教学内容对比，让教师与学生了解了国外先进的教材及教学内容、进行教学改革和提高理论课的教学质量、让更多其它专业的同学选修这门课程将有更多的学生从中受益。