化工流体流动与传热

1、化工流体流动与传热,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,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,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、有关要求

2、 （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,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 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,0.1 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,0.1 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,例如：高压聚乙烯生产的主要步骤,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,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,0.1.2 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,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,流体动力学过程：流体输送、沉降、过滤。 传热过程：加热、冷却、冷凝

5、、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,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,1.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,2.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，进行数学描述，得出

6、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,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,0.2 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,0.3 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,0.4 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,基础课,技术基础课,专业课,深造或工作

7、岗位,理论知识,工程实际（经验,有机结合,起桥梁作用,0.5 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,0.6 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,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.绝对单位制和重力单位制,绝对单位制,重力

8、单位制,长度、质量、时间,长度、时间和力,3.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1,二、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0-2,0.7 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 （1）单元操作分类、理论

9、基础及工程研究方法。 （2）单位制度和单位换算,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,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,流体输送要解决的主要问题： （1）流体通过管道或设备的压力变化（P）； （2）流体输送

10、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,1.1 流体的物理性质,1.1.1 连续介质假定 一、连续介质假定 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。 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,流体质点能反映流体宏观性质的最小流体微元。 连续介质模型定义：流体是由连续分布的流体质点所组成。 流体的物理量（性质）均是指流体质点的物理

11、量（性质,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,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,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 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,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。 工程设计时数据来源： 1）查手册（注意流体的状态，尤其气体）； 2）计算（理想气体、实际气体及混合物）； 3）实验测量。 液体的密度基本上不随压力变化(极高压力

12、除外)，随温度略有改变,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。 高压气体的密度可用实际气体状态方程计算。 手册中只提供纯物质的密度,1.1.2 流体的密度和比容 混合物密度可通过纯态物质的密度进行计算 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,1.1.2.1 流体的密度和比容,流体密度是单位体积流体所具有的流体质量 (,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,密度的倒数是比体积,常见流体密度见附录三和四 流体密

13、度和比体积随所在位置的压力和温度变化 液体的密度基本上不随压力变化，一般视为常数,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,1.1.2.2 流体混合物的密度,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。 混合物的密度 可以通过纯态物质的密度进行计算。 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），则混合物的体积等于各组分单独存在时体积之和,对于气体混合物，其组成常用体积分率 来表示 以混合气体为基准，其中各组分的质量分别为 气体混合物的质量等于各组分的质量

14、之和,1.1.3 流体的膨胀性和压缩性,1)膨胀性 (自学) (2)流体的可压缩性 在外力作用下，流体的体积会发生变化。 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,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,1,3) 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,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； 实际流体都是可压缩的，不可压缩流体乃是为便于

15、处理密度变化较小的某些流体所作的假设而已,1.1.4 流体的粘性和理想流体 一、牛顿粘性定律 （1）易流动性 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。 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。 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,2）粘性 流体在运动时，任意相邻两层流体之间都有相互抵抗，这种作用力称为剪切力。 剪切力又称为流体的内摩擦力或粘性摩擦力。 内摩擦力是流动阻力产生的依据。 流体流动时，必须克服内摩擦力而做功，从而流体的一部分机械能转变为热能损失,流体抵抗两层流体相对滑动速度的性质称为流体的粘性。 粘性是流体的

16、固有属性之一，不论流体处于静止还是流动，都具有粘性。 只有运动（流动）时才表现出来,由于有粘性，速度逐渐减小,ux,实验证明： 对于多数流体，任意两相邻流体层之间作用的剪切力F与两流体层的速度差ux及其作用面积A成正比，与两流体层之间的垂直距离y成反比,单位面积上的剪切力称为剪应力，以表示，有,剪应力,上式只适应于u与y成直线关系的场合。一般情况下，u与y并非呈直线关系，可写成微分形式，称为牛顿粘性定律,y,x,dy,dux,速度梯度，在与流动方向垂直的方向上的速度的变化率（矢量,比例系数，随流体的不同而异，称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度,应用条件：牛顿型流体，滞流（层流）流动,牛顿型流体：服从牛顿粘性定律的流体（上面公式），否则为非牛顿型流体。 所有气体和大多数低分子量液体均属牛顿型流体，如水、空气等； 某些高分子溶液、油漆、血液等则属非牛顿型流体。 本书涉及的流体多为牛顿型流体,二、流体的粘度 特性：是流体的固有基本性质之一 定义式：牛顿粘性定律的变形 物理意义：单位速度梯度下的剪应力,SI制,动力粘度,动力粘度的影响因素： (1) 组成、压力、温度等。 (2) 压力影响较小，一般可不考虑； (3) 温度升高，液体粘度下降；气体粘度增大； (4) 一般液体的粘度要比气