《流体力学与传热》0 绪论

流体力学与传热

课程有关事项考试期末考试，75%出勤提前请假，旷课一次扣3分。共9%。课后作业约10次，每周一次，占总成绩的10%。要求:(1)按布置题量完成，按时上交；（2）抄题目，画图，（3）字迹端正，有中间运算过程；（4）不抄袭。缺一项，降一等级，从A，A-，B+，B，B-课堂表现3%

(1)积极回答问题，不论正确与否，总成绩的3%；（2）被动回答，按回答正确程度给分，共占总成绩的3%；课堂作业根据正确程度，占总成绩的3%

与本课程有关的其它课程化工原理实验雷诺和柏努利方程、泵性能和阻力、相分离演示、传热实验。实验前的准备工作：预习，撰写实验报告实验中：根据实验操作步骤，进行实验实验后：进行数据整理及补充完善实验报告考核方式平时及实验报告40%，（评定依据参见作业部分）

期末考试；60%0绪论0.1

概述0.1.1

课程的基本内容

化工生产过程泛指对原料进行化学加工，最终获得有价值产品的生产过程。化学（生物）反应（核心）物理操作：为化学（生物）反应准备适宜的反应条件及将反应物分离提纯而获得最终产品。单元操作一、单元操作的分类遵循流体动力学基本规律的单元操作流体输送、沉降、过滤、物料混合等。遵循热量传递的基本规律的单元操作加热、冷却、冷凝、蒸发。遵循质量传递基本规律的单元操作蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。（分离操作）同时遵循热质传递规律的单元操作气体的增湿与减湿、结晶、干燥。二、单元操作的理论三传理论动量传递、热量传递、质量传递动量传递热量传递质量传递0.1.2

课程的研究方法

实验研究方法（经验法）量纲分析、相似理论、无量纲数群（准数）数学模拟法（半经验半理论方法）通过合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得到数学模型，通过实验测定模型参数。解析法建立数学模型及方程式，直接进行求解。0.1.3

课程的学习要求

“科学”与“技术”的融合。强调理论联系实际。单元操作和设备选择的能力；工程设计能力；设计计算，化工原理课程设计操作和调节生产过程的能力；操作计算过程开发或科学研究能力。0.2

单位制与单位换算0.2.1

物理量的单位

基本量（primaryquantity）和基本单位长度，时间，质量，温度等导出量和导出单位速度，加速度，力等0.2.2

单位制国际单位制（SI制）基本量：长度（米m），质量（千克kg），时间（秒s），温度（开尔文K），元素的单位（摩尔mol）导出量：力（牛顿N），1N=1kg·m·s-2

功、能和热（焦耳J），1J=1N·m=1kg·m2·s-2

功率，压力（大气压atm，bar)，标准重力加速度(gn)

英制单位制（fps制）基本量:长度（英尺ft），质量（磅lbm），时间（秒s）,温度（°F）导出量:

重力加速度（g），g=32.174ft·s-2

力（磅lbf），1lbf=1lbm·gc=32.174lbm·ft·s-2

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

功率（1hp），1hp=550ft·lbf·s-1

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

物理单位制（CGS系统）基本量长度（厘米cm），质量（克g），时间（秒s）导出量力（达因dyn），1dyn=1g·cm·s-2

热量（尔格erg），1erg=1dyn·cm

重力加速度（g），1g=980.665cm·s-20.2.3

单位换算CGS制与SI制的关系

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

=1dyn·cm=1×10-7Jfps制与SI制的关系

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

物理量单位的换算【例0-1】以英制单位制表示的常温下苯的热导率为0.0919Btu·ft-1·h-1·ºF-1，将该热导率的单位换算成W·m-1·ºC-1。解：根据单位的换算关系，有：

1Btu=1.05418×103J，1ft=0.30480m，1h=3600s，1ºC=1.8ºF所以，苯的热导率为：公式的换算*【例0-2】在SI制中，牛顿第二定律的表达式为F=ma，式中F为物体所受的力，N，m为物体质量，kg，a为物体的运动加速度，m·s-2；试将上式变换为英制单位制，即F的单位改为lbf，m的单位改为lbm，a的单位改为ft·s-2。解：根据单位的换算关系，有：

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

单元操作的几个基本定律及关系0.3.1

质量衡算

质量守恒定律进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量

F为输入量的总和；D为输出量的总和；A为累积量。对于稳态，有【例0-3】在生产KNO3的过程中，20%的KNO3纯水溶液以1000kg·h-1的流量送入蒸发器，在422K下蒸发出部分水而得到50%的KNO3浓溶液，然后送入冷却结晶器，在311K结晶，得到含水4%的KNO3结晶和含37.5%的饱和溶液。前者作为产品取出，后者循环回到蒸发器。过程为定态操作。试计算KNO3结晶产品量P、水蒸发量W和循环的饱和溶液量R。解：首先给出物料流程（1）结晶产量P

以总系统为研究对象，以溶质（KNO3）的量做衡算：1000×20%=(1-4%)×P，P=208.3kg·h-1（2）水蒸发量W以总系统为研究对象，根据总物料的平衡，有1000=W+P，W=1000-P=791.1kg·h-1（3）循环的饱和溶液量R以冷凝结晶器为研究对象，分别对物料总量和溶质量进行质量衡算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

能量守恒定律进入与离开某一化工过程的物料能量之差，等于该过程中累积的物料能量

QI为输入能量的总和；QO为输出能量的总和；QL

为系统向外损失的能量；QA为系统中累积的能量。对于稳态，有【例0-4】在换热器里将平均比热容为3.56kJ·kg-1·ºC-1的某种溶液自25ºC加热到80ºC，溶液流量为1.0kg·s-1。加热介质为120ºC的饱和水蒸汽，其消耗量为0.095kg·s-1，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的热损失占水蒸汽所提供热量的百分比。解：首先给出过程示意图查表，得到120ºC的饱和水蒸汽的焓为：2708.9kJ·kg-1，120ºC饱和水的焓为：503.67kJ·kg-1

物料进入系统输入的能量物料流出系统输出的能量根据能量守恒方程，热量损失为：热损失占水蒸汽所提供热量的百分比为:0.3.3

过程的平衡与速率

过程的平衡传热过程吸收过程过程的速率过程进行的快慢，传递速率。作业将A，B，C，D四种组分各为0.25（摩尔分数，下同）的混合溶液，以1000mol·h-1的流量送入精馏塔内分离，得到塔顶与塔釜两股产品，其中塔顶产品中包含进料的全部A组分，96%B组分及4%C组分；全部D组分存在于塔釜产品中。试计算塔顶和塔釜产品的流量及组成。每小时将200kg过热氨气（压强为1200kPa）从95