化工流体流动与传热1

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1、 化工流体流动与传热天津大学化工学院1一、学时安排 总学时:56授课52-54、机动2-4绪论 1 第一章 流体流动基础 19 第二章 流体输送机械 6 第三章 颗粒与流体之间的相对运动 8 第四章 液体搅拌 0 第五章 传热过程基础 12 第六章 换热器 6第七章 蒸发 4教 学 安 排2二、教师安排张裕卿 三、作业安排（1）每周三由学习委员或班长收、发作业。（2）题目类型：作业题。 四、考试安排期中、期末进行考试，采用闭卷与开卷相结合的 考试形式，期末成绩80，期中和平时成绩占20。 教 学 安 排3五、答疑安排时间及地点：期末统一安排平时地点：20楼化工原理教研室（832室） 六、有关要

2、求（1）按时交作业，无特殊情况补交作业无效。（2）独立完成作业，发现抄袭，责任自负。（3）累计欠作业1/3者取消考试资格。（4）点名或抽查累计3次未到者取消考试资格。教 学 安 排4七、教材 柴诚敬等. 化工流体流动与传热,化学工业出版社,2007. 八、参考书 (1)姚玉英等. 化工原理（上）. 天津大学出版社, 1999 (2)柴诚敬等.化工原理（上）. 高等教育出版社, 2005 (3)202.113.7.181(化工流体流动与传热网络课程) (4)W.L.McCabe, J.C.Smith. Unit Operations of Chemical Engineering, 6th ed

3、. New York: McGraw.Hill Inc., 2001 (5)陈涛等.化工传递过程基础化学工业出版社 (6)柴诚敬.化工原理学习指南高等教育出版社,2012教 学 安 排50.1 化学工程学科的进展0.2 单元操作与传递过程0.3 单位制和单位换算0.4 本章总结0 绪 论60.1 化学工程学科简介（进展）0.1.1 化学工业 对原料进行化学加工，以改变物质结构 或组成，或合成新物质，而获得有用产 品的制造工业。 也称化学加工工业，其过程称为化工生 产过程。 7例如：高压聚乙烯生产的主要步骤8原料预处理化学反应后处理产品一般为物 理过程预热 输送 精制 压缩 共性问题 化学反应

4、工程（反 应过程 设备反应 器）核心 地位一般为物 理过程冷却（凝） 蒸发 结晶 吸收 精馏 共性问题高压聚乙烯生产的主要步骤9化工生产过程 化学反应 物理过程化工生产过程：对原料进行化学加工，最终获得 有价值产品的生产过程。 反应工程化工原理（单元操作）100.1.2 化工单元操作 产品、原料多样性、生产过程复杂性 ，化工生产工艺流程数以万计可以归纳为： 工艺化学反应物理操作（有限个）（有机组合） 11化工生产的核心：化学反应过程反应器（化学反应工程）物理操作过程(单元操作)：为化学反应准备必要条件将反应物分离提纯获得最终产品12流体动力学过程：流体输送、沉降、过滤。传热过程：加热、冷却、冷

5、凝、蒸发。传质过程：蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离。热质同时传递过程：气体的增湿减湿、结晶、 干燥。单元操作分类13化工原理（单元操作）的研究内容包括“过 程”和“设备”两个方面。单元操作动量传递 热量传递 质量传递 三传理论传递过程是联系各单元操作的一条主线。141.实验研究方法（经验法）以量纲分析和相似论为指导，依靠试验来确 定过程变量之间的关系，通常用无量纲数群（或 称准数）构成的关系式来表达。这是工程上一种 通用的基本方法。化工原理课程的研究方法152.数学模型法（半经验半理论方法）在对实际过程的机理深入分析的基础上， 在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化 ，建立物理模型，进行数学

6、描述，得出数学模 型。通过实验确定模型参数。研究工程问题的方法论是联系各单元操作 的另一条主线。 16单元操作设备的选择能力。工程设计能力。操作和调节生产过程的能力。过程开发或科学研究能力。170.2 化工过程计算题目类型化工过程计算题目类型：（1）设计型（2）操作型 180.3 化工过程计算依赖的基本关系 （1）质量守恒（守恒原理） （2）能量守恒（守恒原理） （3）平衡关系（化工热力学） （4）速率关系（传递方程）190.4 本课程特点强调：（1）工程观点（实验、合理简化、近似）（2）定量运算（3）实验技能（4）设计能力等的培养（5）学习时强调理论联系实际 20基础课 技术基础课 专业课

7、深造或工作岗位 理论知识 工程实际（经验） 有机结合起桥梁作用 210.5 本课程学习要求几个方面能力的培养： （1）单元操作和设备选择的能力 （2）工程设计能力（工艺过程计算和设备设计 ，缺乏数据时，查资料、现场查定、实验测得 等） （3）操作和调节生产过程的能力（故障排除、 了解优化生产过程的途经） （4）过程开发或科学研究能力（将可能变为现 实，实现工程目的，这是综合创造能力的体现 ） 220.6 单位制和单位换算0.6.1 单位制分类任何物理量的大小数字单位23一、 物理量的单位1.基本单位和导出单位基本单位：导出单位：质量、长度、时间和温度。速度、密度、加速度等。2.绝对单位制和重力

8、单位制绝对单位制：重力单位制：长度、质量、时间。长度、时间和力。243.国际单位制（SI制）根据1960年10月国际计量大会通过的一种单 位制。4.中华人民共和国法定计量单位中华人民共和国法定计量单位是在SI制基 础上制定的，见教材附录1。25二、单位换算1.物理量的换算基本物理量中为1m(米)物理单位制中 100cm(厘米)英制3.2808ft(英尺) 2.经验公式（或数字公式）的换算物理方程经验方程换算方法见例0-2。260.7 本章总结1 目的（1）了解化学工程学科历史沿革、本课程研究 内容、工程研究方法，课程特点及学习要求。 （2）掌握本课程经常使用的单位制及单位换算 的方法。2 重点

9、（1）单元操作分类、理论基础及工程研究方法 。 （2）单位制度和单位换算。27第一章 流体流动基础 气体和液体统称为流体，包括：单相和多相流 体，多相流态化流体等。化工生产中所处理的物料(包括原料、半成品与 产品)大多是流体，流体输送是化工过程中最为 普遍的单元操作之一（类似人体的血管和心脏 ）。28研究流体流动规律的原因 ：（1）化工物料多为流体； （2）流体输送是最普遍的单元操作； （3）其它许多单元操作也属流体动力过程，如 ：a）过滤；b）沉降；c）搅拌。 （4）流动规律是研究化工中传热操作的基础； （5）流动规律是研究化工中传质操作的基础。29流体输送要解决的主要问题：（1）流体通过管

10、道或设备的压力变化（P） ；（2）流体输送所需泵功率；（3）流量测量原理；（4）输送机械的选择与操作(功率,流量和扬 程等)。流体流动规律是解决这些问题的基础。本章重点讨论粘性流体动量传递的基本原理 ，并运用它分析和计算流体的输送问题。 301.1 流体的物理性质311.1.1 连续介质假定一、连续介质假定 u随机运动的流体分子彼此之间有间隙，流体 的物理量在空间和时间上的分布微观上不连续 。微观物理量也不连续。 u在工程技术领域，感兴趣的是流体的宏观特 性，即大量分子的统计平均特性，而不是单个 分子的微观运动。32u流体质点能反映流体宏观性质的最小流体 微元。 u连续介质模型定义：流体是由连

11、续分布的流体 质点所组成。u流体的物理量（性质）均是指流体质点的物理 量（性质）。 33二、流体的物理量 描述流体性质及其运动规律的物理量：（1）密度 （2）压力 （3）组成 （4）速度34按照连续介质假定 任意空间点上流体的物 理量都是指位于该点上的流体质点的物理量。 流体密度可以定义为： 35u流体是由连续质点组成的，而任意空间点上 流体质点的物理量在任意时刻都有确定的数值 u流体的物理量是空间位置(x,y,z)和时间()的 函数。密度场速度场温度场36u定义、单位、影响因素（温度、压力），密度 值是与流体所处的状态对应的。u工程设计时数据来源： 1）查手册（注意流体的状态，尤其气体）；

12、2）计算（理想气体、实际气体及混合物）； 3）实验测量。u液体的密度基本上不随压力变化(极高压力除 外)，随温度略有改变。37u气体的密度随温度、压力改变。低压气体的密 度（极低压力除外）可按理想气体状态方程计算 。u高压气体的密度可用实际气体状态方程计算。u手册中只提供纯物质的密度。381.1.2 流体的密度和比容 u混合物密度可通过纯态物质的密度进行计算u液体（按质量分数表示，1kg为基准）和气体 （按体积分数表示，1m3为基准）的计算不同 391.1.2.1 流体的密度和比容u流体密度是单位体积流体所具有的流体质量 ( )u根据连续介质假定，任意空间点 上,包围该点取一 微元 , 其质量

13、为 , 密度定义为掌握密 度单位 的换算流体为均匀流体单位为 kg/m3 40u密度的倒数是比体积 u常见流体密度见附录三和四u流体密度和比体积随所在位置的压力和温度变化u液体的密度基本上不随压力变化，一般视为常数。41u气体的密度随温度、压力改变。低压气体的密度（ 极低压力除外）可按理想气体状态方程计算421.1.2.2 流体混合物的密度u化工生产中遇到的流体，大多为含有若干组分的混合 物，而通常手册中仅提供纯物质的密度。 u混合物的密度 可以通过纯态物质的密度进行计算 。u对于液体混合物，其组成常用质量分率表示。现以液 体混合物为基准，并设各组分在混合前后其体积不变（ 理想溶液），则混合物

14、的体积等于各组分单独存在时体 积之和.4344u对于气体混合物，其组成常用体积分率 来表示u以混合气体为基准，其中各组分的质量分别为 u 气体混合物的质量等于各组分的质量之和 451.1.3 流体的膨胀性和压缩性 (1)膨胀性 (自学)(2)流体的可压缩性u在外力作用下，流体的体积会发生变化。u当作用在流体上的外力增加时，流体的体积将减小 ，这种特性称为流体的可压缩性。 46u流体的可压缩性通常用体积压缩系数来表示。表示在一定温度下，压力每增加一个单位时，流体体 积的相对缩小量。 147(3) 不可压缩流体通常液体的压缩系数都很小，甚至某些液体的值近似为 零，因而可压缩性可以忽略。液体常视为不

15、可压缩流体 。称 0 的流体为可压缩流体；的流体为不可压缩流体,或密度为常数。48u气体的密度随压力和温度变化，因此气体在一 般情况下是可压缩流体；u实际流体都是可压缩的，不可压缩流体乃是为 便于处理密度变化较小的某些流体所作的假设而 已。 491.1.4 流体的粘性和理想流体 一、牛顿粘性定律 （1）易流动性 u固体在静止时可承受切向力。切向微小变形， 然后恢复到原平衡状态。 u流体静止时不能承受切向力，切向持续施加力 使流体发生变形流动。 u流体静止时只有法向力而无切向力。流体的这 个宏观性质称为流体的易流动性。 50（2）粘性 u流体在运动时，任意相邻两层流体之间都有相 互抵抗，这种作用力