化工基础教案

化工基础教案课程名称化工基础学时学分学时专业班级1503化工技术类授课教师 王蕊兰一本课程教学总体安排课程名称：化工基础课程性质与类型：专业必修课总学时：106学时教学目的与要求：化工基础是以定性阐述基本概念和基础理论为主，进行少量必要的定量计算，通过有关化学工程基本原理和设备的感性认识，进一步加深对基本概念和基础知识的理解，物理化学上的热力学和动力学的运用使学生对化工生产实际有一定的印象。本课程通过理论教学及实验教学、课程实习等实践性环节相结合，使学生牢固建立起”单元操作”的概念，培养学生工程分析方法及独立分析问题和解决问题的能力。通过系统的理论学习与实践，使学生具有一定的工程设计能力，为未来的工作和后继课程的学习打下基础。教材及参考书目:教材：《化工基础》化学工业出版社章节题目：绪论，第一章流体流动与输送学时分配：24学时本章教学目的与要求:本课程的研究对象和内容；学科发展史;主要研究方法；单元操作；单位和单位换算.和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题,诸如:流体输送:流速的选择，管径的计算，输送机械选型.流动参数的测量：压强（压力）、流速（流量）等。其它：课堂教学方案课题名称、授课时数：绪论,第一章流体流动（1.1概述）（4学时）授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体教学目的要求:掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律,并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题。教学重点、难点：流体静力学基本方程及其应用；连续性方程式;伯努利方程式及其应用;流体在管内的流动阻力；能量守衡控制体的选取边界层概念等。第一章流体流动第一节概述流体:包括液体和气体特点：（a）具有流动性（b）受外力作用时内部产生相对运动流体流动基本原理的应用一、流体的输送（1）确定输送管路的直径,选择适宜的流动速度（2）选用输送设备，需要确定流体在流动过程中应加入的外功二、压力、流速和流量的测量三、为强化设备提供适宜的流动条件教学反思:课堂教学方案课题名称、授课时数：1.2流体静力学（4学时）授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体教学目的要求：掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律,并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题.教学重点、难点：一、流体的压强及其特性二、流体静力学基本方程式.第二节流体静力学——-静止流体内部压力变化的规律一、流体的压缩性液体的形状与容器相同,其体积几乎不随压强和温度而改变.气体的形状与容器完全相同，完全充满整个容器,其体积随压强和温度的变化而有明显改变。流体的体积随压强和温度而变的这个性质，称为流体的压缩性。1、理想液体：体积绝对不随压强和温度的变化而改变,在流动时分子之间没有摩擦力2、理想气体：高温、低压下的实际气体。所以通常可用理想气体状态方程式来计算。二、流体的主要物理量1．密度、相对密度和比体积（1）密度单位体积流体所具有的质量密度一般从物化手册或相关资料中查得。①气体的密度1、从手册中查得的气体密度往往是某一指定条件下的数值2、一般当压强不太高、温度不太低时,可按理想气体来处理3、计算混合气体的密度，应以混合气体的平均千摩尔质量M均代替M②液体的密度1、实验方法测定2、工业上测定液体密度最简单的方法使用比重计3、混合液体的密度（若体积变化不大）（2）相对密度相对密度为流体密度与4℃时水的密度之比,习惯称为比重（3）比体积定义：单位质量流体所具有的体积称为流体，习惯称为比容，其单位为m3/kg2．压强（压力）（1）定义:流体垂直作用于单位面积上的力（2）压强的单位及其换算1、1atm=101.3kPa=1.033kgf/cm2=760mmHg=10。33mH2O1、1atm=101.3kPa=1。033kgf/cm2=760mmHg=10。33mH2O2、液柱高度表示流体压强（3）压力的表达方式①绝对压强（简称绝压）②表压强（简称表压）表压=绝对压强－（外界）大气压强③真空度真空度=（外界）大气压强－绝对压强在以后的讨论中规定，对表压和真空度均加以标注，如果没有注明,即为绝压三、流体静力学基本方程式1、流体静力学基本方程式的形成2、静力学基本方程的讨论（1）在静止的液体中,液体任一点的压力与液体密度和其深度有关。液体密度越大，深度越大，则该点的压力越大。（2）在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压力均相等。此压力相等的截面称为等压面。（3）（3）当液体上方的压力或液体内部任一点的压力p1有变化时,液体内部各点的压力也发生同样大小的变化.3、静力学基本方程的应用（1）测量流体的压力或压差①U管压差计其特点是：构造简单，测压准确，价格便宜。但玻璃管易碎，不耐高压，测量范围狭小，读数不便.②微差压差计特点：内装有两种密度相近、且互不相溶的指示液A和B两侧臂顶端各装有扩大室用途：测量气体的微小压力差。工业上常用的双指示液有石蜡油与工业酒精；苯甲醇与氯化钙溶液等。（2）液位的测量①玻璃管液面计②液柱压差计教学反思：课堂教学方案课题名称、授课时数：1。2流体动力学（8学时）授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）:多媒体教学目的要求：掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题.教学重点、难点:实际流体流动的机械能衡算式；实际流体流动的机械能衡算式的应用第三节流体动力学一、流量方程式1、流量:单位时间内流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量。2．流速:单位时间内流体在流动方向流过的距离（1）平均流速：流体在同一截面上各点流速的平均值，称为平均流速.符号：u，单位为m/s.（2）质量流速质量流量与管道截面积之比称为质量流速.以符号G表示，其单位为kg/（m2・s）3．流量和流速——流量方程式当流量为定值时，必须选定流速，才能确定管径.适宜流速由输送设备的操作费和管路的设备费经济权衡及优化来决定.二、稳定流动与不稳定流动1．稳定流动：流体在流动时，任一截面处流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，不随时间而变.2．不稳定流动:流体在流动时,任一截面处流体的流速、压力、密度等有关物理量不仅随位置而变，又随时间而变。三、流体稳定流动时的物料衡算-—连续性方程流体流动的连续性:当流体在密闭管路中作稳定流动时,根据质量守恒定律，通过管路任一截面的流体质量流量应相等.物料衡算式为:若流体是不可压缩性的液体,且为圆形管子，连续性方程可写为：若流体是不可压缩性的液体，且为圆形管子,连续性方程可写为:四、流体稳定流动时的能量衡算——伯努利方程1、流体流动时所具有的机械能质量为m（kg）流体的总机械能为：2．理想流体的柏努利方程理想流体：无黏性、流动时不产生摩擦阻力的流体。理想流体进行稳定流动时,在管路任一截面的流体总机械能是一个常数。即将流体由截面1—1输送到截面2-2时，两截面处流体的总机械能相等。即流动的流体在不同截面间各种机械能的形式可以互相转化.流体在任一截面上，各种机械能的总和为常数.3．实际流体的柏努利方程其他形式的衡算方程：（1）以单位重量（1N）流体为衡算基准其物理意义为：每牛顿重量的流体所具有的能量，通常将其称为压头（2）以单位体积流体为衡算基准其物理意义为:单位体积不可压缩流体所具有的能量五、伯努力方程的应用1、截面选取：两截面应与流体流动的方向垂直（此条件下的流体流动速度为u）,并且流体在两截面之间是连续的。2、基准面:基准面必须是水平面。通常把基准面选在低截面处，使该截面处值为零，另一个值等于两截面间的垂直距离。3、伯努利方程中各项物理量的单位必须一致.流体的压力可以都用绝压或都用表压，但要统一。4、如果两个横截面积相差很大，如大截面容器和小管子，则可取大截面处的流速为零。5、不同基准柏努利方程式的选用：通常依据习题中损失能量或损失压头的单位,选用相同基准的伯努利方程教学反思：课堂教学方案课题名称、授课时数：1.4流体阻力（6学时）授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体教学目的要求:掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题教学重点、难点:边界层的概念；流体流动阻力的计算第四节流体阻力一、流体的黏度流体流动如何产生的阻力？流体流经固体壁面时，由于流体对壁面有附着力作用，因此在壁面上粘附着一层静止的流体，同时在流体内部分子间是有吸引力的，所以,当流体流过壁面时,壁面上静止的流体层对与其相邻的流体层的流动有约束作用，使该层流体流速变慢,离开壁面越远其约束作用越弱,这种流速的差异造成了流体内部各层之间的相对运动。由于流体层与流体层之间产生相对运动，流得快的流体层对与其相邻流得慢的流体层产生一种牵引力，而流得慢的流体层对与其相邻流得快的流体层则产生一种阻碍力.上述这两种力是大小相等而方向相反的。因此,流体流动时，流体内部相邻两层之间必然有上述相互作用的剪应力存在，这种力称为内摩擦力。内摩擦是产生流体阻力的根本原因.此外，当流体流动激烈呈紊乱状态时，也会损耗流体的机械能，而使阻力增大。可以说，流体流动状况是产生流体阻力的第二位原因.所以,流体具有内摩擦力是产生流体阻力的内因，流体流动时受流动条件的影响是流体阻力产生的外因。另外，管壁粗糙程度和管子的长度、直径均对流体阻力的大小有影响。2．流体的黏度定义:流体流动时流层之间产生内摩擦力的这种特性.衡量流体黏性大小的物理量（1）黏度的单位1、在物理单位制中黏度的单位为（dyn-s/cm2）,（泊）用符号P表示.1P=100cP2、在SI制中黏度的单位为（N-s/m2）或（Pa•s）。3、黏度单位的换算关系:1Pa•s=10P=1000cP=1000mPa•s或者1cP=1mPa•s4、流体的黏度随温度而变化。（2）混合液体的黏度（对于分子不缔合的液体混合物）二、流体流动的类型1．雷诺实验当玻璃管内水的流速较小时，红墨水在管中心呈明显的细直线（a）随着逐渐增大水的流速，作直线流动的红色细线开始抖动、弯曲、呈波浪形（b）速度再增大，红色细线断裂、冲散，全管内水的颜色均匀一致（c）2．流动类型及其判定层流或滞流：当流速较小时,流体质点沿管轴做规则的平行直线运动,与其周围的流体质点间互不干扰及相混。湍流或紊流：流体流速增大到某一值时，流体质点除流动方向上的运动之外,还向其他方向做随机运动,即存在流体质点的不规则脉动,彼此混合。判断流体的流动类型—--Re流动虽分为层流区、湍流区和过渡区,但流动类型只有层流和湍流.3．当量直径三、圆管内流体的速度分布1．层流时的速度分布2．湍流时的速度分布在湍流时无论流体主体湍动的程度如何剧烈，在靠近管壁处总粘附着一层作层流流动的流体薄层，称为流体边界层.其厚度虽然很小，但对流体传热、传质等方面影响很大。四、流体阻力的计算局部阻力：流体流经管路中的管件、阀门或突然扩大与缩小等局部障碍所引起的阻力。1．直管阻力的计算直管阻力：流体流经一定管径的直管时,由于流体的内摩擦而产生的阻力。h直—一流体在圆形直管中流动时的损失能量，J/kg；入一一摩擦系数，无单位摩擦系数人与管内流体流动时的雷诺数Re和管道内壁的粗糙程度有关（1）层流时的摩擦系数 只与Re有关（2）湍流时的摩擦系数 与雷诺数Re及管壁粗糙程度都有关（3）非圆形管的直管阻力2．局部阻力的计算（1）当量长度法将某一局部阻力折合成相当于同直径一定长度直管所产生的阻力，此折合的直管长度称为当量长度，用符号l当表示.（2）阻力系数法3．管路总阻力的计算教学反思：课堂教学方案课题名称、授课时数：1。5流体的流量与调节（2学时）授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）:理论课教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）:多媒体教学目的要求:掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题.教学重点、难点：孔板流量计;文丘里流量计；转子流量计第五节流量的测量与调节一、孔板流量计当管内流动的流体通过孔口时，因流通截面积突然减小，流速骤增，随着流体动能的增加，势必造成静压能的下降,由于静压能下降的程度随流量的大小？而变化，所以测定压力差则可以知道流量.若不考虑通过孔板的阻力损失,在水平管截面1-1和截面2—2之间列出柏努利方程，则孔流系数的数值一般由实验测定。，当Re数超过某个限定值之后，亦趋于定值。流量计所测定的流量范围一般应取在为定值的区域，其值约为0.6~0。7。二、文丘里流量计孔板流量计由于锐孔结构将引起过多的能量消耗。为了减少能量的损失,把锐孔结构改制成渐缩减扩管，这样构成的流量计,称为文氏管流量计。文氏管流量计的阻力较小,大多