化工流体流动与传热.ppt

1 化工流体流动与传热 天津大学化工学院 2 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 3 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 4 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 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 5 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 UnitOperationsofChemicalEngineering 6thed NewYork McGraw HillInc 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 6 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 7 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 8 例如 高压聚乙烯生产的主要步骤 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 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 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 19 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 20 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 21 基础课 技术基础课 专业课 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 22 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 23 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 24 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 重力单位制 长度 质量 时间 长度 时间和力 25 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 26 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 27 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 理论基础及工程研究方法 2 单位制度和单位换算 28 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 29 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 30 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 31 1 1流体的物理性质 32 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 33 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量 性质 34 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 35 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 36 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 37 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 极高压力除外 随温度略有改变 38 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 39 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 40 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 41 密度的倒数是比体积 常见流体密度见附录三和四流体密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 42 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 43 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 44 45 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之和 46 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 47 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 48 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 49 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处理密度变化较小的某些流体所作的假设而已 50 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 51 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 52 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 53 由于有粘性 速度逐渐减小 ux 54 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 55 单位面积上的剪切力称为剪应力 以 表示 有 剪应力 56 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 57 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 58 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 59 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 60 SI制 动力粘度 61 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体大得多 62 运动粘度流体的粘度与密度的比值 以 表示 工程设计数据来源 1 查手册 附录 2 经验式计算3 实验测量 计算混合物粘度时 不能简单地按组分叠加处理 只能用适当的经验公式估计 见教材 63 对于常压气体混合物的粘度 可采用下式计算 64 非缔合的液体混合物的粘度可用下式计算 65 三 理想流体与粘性流体 1 自然界中存在的流体都具有粘性 具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体 2 完全没有粘性 0 的流体称为理想流体 3 自然界中并不存在真正的理想流体 只是为便于处理某些流动问题所作的假设而已 66 作业题 0 1 1 1