《流體力學(xué)與傳熱》0 緒論

流體力學(xué)與傳熱

課程有關(guān)事項(xiàng)考試期末考試，75%出勤提前請假，曠課一次扣3分。共9%。課后作業(yè)約10次，每周一次，占總成績的10%。要求:(1)按布置題量完成，按時上交；（2）抄題目，畫圖，（3）字跡端正，有中間運(yùn)算過程；（4）不抄襲。缺一項(xiàng)，降一等級，從A，A-，B+，B，B-課堂表現(xiàn)3%

(1)積極回答問題，不論正確與否，總成績的3%；（2）被動回答，按回答正確程度給分，共占總成績的3%；課堂作業(yè)根據(jù)正確程度，占總成績的3%

與本課程有關(guān)的其它課程化工原理實(shí)驗(yàn)雷諾和柏努利方程、泵性能和阻力、相分離演示、傳熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作：預(yù)習(xí)，撰寫實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)中：根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作步驟，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)后：進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及補(bǔ)充完善實(shí)驗(yàn)報告考核方式平時及實(shí)驗(yàn)報告40%，（評定依據(jù)參見作業(yè)部分）

期末考試；60%0緒論0.1

概述0.1.1

課程的基本內(nèi)容

化工生產(chǎn)過程泛指對原料進(jìn)行化學(xué)加工，最終獲得有價值產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。化學(xué)（生物）反應(yīng)（核心）物理操作：為化學(xué)（生物）反應(yīng)準(zhǔn)備適宜的反應(yīng)條件及將反應(yīng)物分離提純而獲得最終產(chǎn)品。單元操作一、單元操作的分類遵循流體動力學(xué)基本規(guī)律的單元操作流體輸送、沉降、過濾、物料混合等。遵循熱量傳遞的基本規(guī)律的單元操作加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)。遵循質(zhì)量傳遞基本規(guī)律的單元操作蒸餾、吸收、萃取、吸附、膜分離等。（分離操作）同時遵循熱質(zhì)傳遞規(guī)律的單元操作氣體的增濕與減濕、結(jié)晶、干燥。二、單元操作的理論三傳理論動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞動量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞0.1.2

課程的研究方法

實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)法）量綱分析、相似理論、無量綱數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)）數(shù)學(xué)模擬法（半經(jīng)驗(yàn)半理論方法）通過合理簡化，建立物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，得到數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)驗(yàn)測定模型參數(shù)。解析法建立數(shù)學(xué)模型及方程式，直接進(jìn)行求解。0.1.3

課程的學(xué)習(xí)要求

“科學(xué)”與“技術(shù)”的融合。強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際。單元操作和設(shè)備選擇的能力；工程設(shè)計能力；設(shè)計計算，化工原理課程設(shè)計操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力；操作計算過程開發(fā)或科學(xué)研究能力。0.2

單位制與單位換算0.2.1

物理量的單位

基本量（primaryquantity）和基本單位長度，時間，質(zhì)量，溫度等導(dǎo)出量和導(dǎo)出單位速度，加速度，力等0.2.2

單位制國際單位制（SI制）基本量：長度（米m），質(zhì)量（千克kg），時間（秒s），溫度（開爾文K），元素的單位（摩爾mol）導(dǎo)出量：力（牛頓N），1N=1kg·m·s-2

功、能和熱（焦耳J），1J=1N·m=1kg·m2·s-2

功率，壓力（大氣壓atm，bar)，標(biāo)準(zhǔn)重力加速度(gn)

英制單位制（fps制）基本量:長度（英尺ft），質(zhì)量（磅lbm），時間（秒s）,溫度（°F）導(dǎo)出量:

重力加速度（g），g=32.174ft·s-2

力（磅lbf），1lbf=1lbm·gc=32.174lbm·ft·s-2

壓力psi（poundpersquareinch)，1psi=1lbf·in-2

功率（1hp），1hp=550ft·lbf·s-1

熱，功，能（Btu），1Btu·lbm-1·°F-1=1calIT·g-1·°C-1

物理單位制（CGS系統(tǒng)）基本量長度（厘米cm），質(zhì)量（克g），時間（秒s）導(dǎo)出量力（達(dá)因dyn），1dyn=1g·cm·s-2

熱量（爾格erg），1erg=1dyn·cm

重力加速度（g），1g=980.665cm·s-20.2.3

單位換算CGS制與SI制的關(guān)系

1g=1×10-3kg1cm=1×10-2m1dyn=1g·cm·s-2=1×10-5N1erg（爾格）

=1dyn·cm=1×10-7Jfps制與SI制的關(guān)系

1lbm=0.45359kg1ft=12inch=0.30480m1lbf=4.4482N1ft·lbf=1.35582N·m=1.35582J1hp=745.7W1Btu(Britishthermalunit)=1.05418×103J

ToF=32+t1.8oC，1oC=1.8oF

物理量單位的換算【例0-1】以英制單位制表示的常溫下苯的熱導(dǎo)率為0.0919Btu·ft-1·h-1·oF-1，將該熱導(dǎo)率的單位換算成W·m-1·oC-1。解：根據(jù)單位的換算關(guān)系，有：

1Btu=1.05418×103J，1ft=0.30480m，1h=3600s，1oC=1.8oF所以，苯的熱導(dǎo)率為：公式的換算*【例0-2】在SI制中，牛頓第二定律的表達(dá)式為F=ma，式中F為物體所受的力，N，m為物體質(zhì)量，kg，a為物體的運(yùn)動加速度，m·s-2；試將上式變換為英制單位制，即F的單位改為lbf，m的單位改為lbm，a的單位改為ft·s-2。解：根據(jù)單位的換算關(guān)系，有：

1lbf=4.4482N，1ft=0.30480m，1lbm=0.45359kg0.3

單元操作的幾個基本定律及關(guān)系0.3.1

質(zhì)量衡算

質(zhì)量守恒定律進(jìn)入與離開某一化工過程的物料質(zhì)量之差，等于該過程中累積的物料質(zhì)量

F為輸入量的總和；D為輸出量的總和；A為累積量。對于穩(wěn)態(tài)，有【例0-3】在生產(chǎn)KNO3的過程中，20%的KNO3純水溶液以1000kg·h-1的流量送入蒸發(fā)器，在422K下蒸發(fā)出部分水而得到50%的KNO3濃溶液，然后送入冷卻結(jié)晶器，在311K結(jié)晶，得到含水4%的KNO3結(jié)晶和含37.5%的飽和溶液。前者作為產(chǎn)品取出，后者循環(huán)回到蒸發(fā)器。過程為定態(tài)操作。試計算KNO3結(jié)晶產(chǎn)品量P、水蒸發(fā)量W和循環(huán)的飽和溶液量R。解：首先給出物料流程（1）結(jié)晶產(chǎn)量P

以總系統(tǒng)為研究對象，以溶質(zhì)（KNO3）的量做衡算：1000×20%=(1-4%)×P，P=208.3kg·h-1（2）水蒸發(fā)量W以總系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)總物料的平衡，有1000=W+P，W=1000-P=791.1kg·h-1（3）循環(huán)的飽和溶液量R以冷凝結(jié)晶器為研究對象，分別對物料總量和溶質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)量衡算S=P+R

（S=208.3+R）S×50%=P×（1-4%）+R×37.5%（S×50%=208.3×（1-4%）+R×37.5%）得到：S=974.9kg·h-1

，R=766.6kg·h-10.3.2

能量衡算

能量守恒定律進(jìn)入與離開某一化工過程的物料能量之差，等于該過程中累積的物料能量

QI為輸入能量的總和；QO為輸出能量的總和；QL

為系統(tǒng)向外損失的能量；QA為系統(tǒng)中累積的能量。對于穩(wěn)態(tài)，有【例0-4】在換熱器里將平均比熱容為3.56kJ·kg-1·oC-1的某種溶液自25oC加熱到80oC，溶液流量為1.0kg·s-1。加熱介質(zhì)為120oC的飽和水蒸汽，其消耗量為0.095kg·s-1，蒸汽冷凝成同溫度的飽和水后排出。試計算此換熱器的熱損失占水蒸汽所提供熱量的百分比。解：首先給出過程示意圖查表，得到120oC的飽和水蒸汽的焓為：2708.9kJ·kg-1，120oC飽和水的焓為：503.67kJ·kg-1

物料進(jìn)入系統(tǒng)輸入的能量物料流出系統(tǒng)輸出的能量根據(jù)能量守恒方程，熱量損失為：熱損失占水蒸汽所提供熱量的百分比為:0.3.3

過程的平衡與速率

過程的平衡傳熱過程吸收過程過程的速率過程進(jìn)行的快慢，傳遞速率。作業(yè)將A，B，C，D四種組分各為0.25（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）的混合溶液，以1000mol·h-1的流量送入精餾塔內(nèi)分離，得到塔頂與塔釜兩股產(chǎn)品，其中塔頂產(chǎn)品中包含進(jìn)料的全部A組分，96%B組分及4%C組分；全部D組分存在于塔釜產(chǎn)品中。試計算塔頂和塔釜產(chǎn)品的流量及組成。每小時將200kg過熱氨氣（壓強(qiáng)為1200kPa）從95