化工流体流动 2728学时
化工基础13-14学时
应用不可压缩流体的连续性方程
2
孔板小孔截面积
3
管道截面积
4
*
孔板流量计
角接取压法： 通常的做法是将上、下游两个测压口装在紧靠着孔板前后的位置上。
孔板流量计
引入校正系数: C2 ，校正上、下游测压口的位置影响。
01
整理式1-110可得
02
(1-111)
03
*
孔板流量计
令，
则上式变为
01
第一章 流体流动
非牛顿流体的流动 非牛顿型流体的流动特性
1.9.2 幂律流体在管内流动的阻力
01
管内层流
02
对于幂律流体在管内的流动
03
代入剪应力沿管径方向的分布式：
04
积分并整理，可得
管中心最大流速：
管内速度分布：
管截面平均流速:
一、管内层流
*
01
02
03
04
05
非牛顿流体的广义雷诺数
*
第一章 流体流动
转子流量计 流量的测量 测速管 孔板流量计 文丘里流量计
1
2
转子流量计
动画05
转子流量计(rotary flowmeter)流量计称为变截面流量计，即压力差几乎保持不变，而收缩的截面积随流量变化。
*
图1-32 转子流量计 1－锥形玻璃管；2－转子；3－刻度
转子流量计
(1-112)
体积流率为
(1-113)
*
C0称为流量系数或孔流系数，其值与Re、面积比A0/A1以及取压法有关，需由实验测定。
01
孔板流量计
02
质量流率
03
流体流动化工流体流动方面的教学教材
流体流动化工流体流动方面的教学教材流体流动化工是一门涵盖流体力学和化工工艺两个学科内容的交叉学科，其研究内容包括流体的流动规律、流动过程中的传热、传质、反应以及工业流体流动过程的工程设计等。
针对该学科的教学需要，本教材将从流体力学和化工工艺两个方面对流体流动进行全面的介绍和分析。
第一章引言1.1 学科概述1.2 教材内容和结构第二章流体力学基础2.1 流体性质2.1.1 密度、粘度、表面张力2.1.2 流体不可压缩性2.2 流体静力学2.2.1 压力、压强和压力头2.2.2 流体的压力传输和与固体的作用2.3 流体动力学2.3.1 流体流动的描述2.3.2 流体的流动速度和速度分布2.3.3 流体的流量和流速2.3.4 流体的动量守恒定律2.3.5 流体的能量守恒定律第三章流体流动模式3.1 层流流动和湍流流动3.1.1 层流流动的特点和判断条件3.1.2 湍流流动的特点和判断条件3.2 内部流和外部流3.2.1 内部流动的特点和应用3.2.2 外部流动的特点和应用3.3 层流管道和湍流管道3.3.1 层流管道流动的压力损失和能量损失 3.3.2 湍流管道流动的压力损失和能量损失第四章流体的传热与传质4.1 流体的传热机制4.1.1 热传导、热对流和热辐射4.1.2 流体的传热系数和传热方程4.2 流体的传质机制4.2.1 传质模型和传质速度4.2.2 流体的传质系数和传质方程4.3 流体传热与传质过程的计算和设计4.3.1 热传输和传热换热器的设计4.3.2 物质传输和传质装置的设计第五章流体流动的工程应用5.1 流体流动的测量技术5.1.1 流体流动参数的测量方法5.1.2 流体流动的实验技术和仪器5.2 流体流动的工程实例5.2.1 管道流动和泵的工程应用5.2.2 气体流动和风机的工程应用5.2.3 液体流动和搅拌器的工程应用第六章流体流动化工的前沿技术6.1 多相流动6.1.1 流体与固体颗粒的多相流动6.1.2 流体与气体的多相流动6.1.3 流体与液体的多相流动6.2 微尺度流动6.2.1 流体的纳米尺度流动6.2.2 流体的微观流动和微流体力学6.3 流体流动的计算模拟6.3.1 流体流动的数值模拟方法6.3.2 流体流动的计算机辅助设计第七章常用流体流动化工软件7.1 流体流动模拟软件7.1.1 FLUENT软件7.1.2 CFD++软件7.2 流体流动计算软件7.2.1 PIPENET软件7.2.2 PIPE-FLO软件第八章习题与案例分析第九章参考文献本教材通过从基础概念到实际应用的层次结构，全面介绍了流体流动化工的相关理论和工程应用。
《化工单元仿真实训-流体输送》课程标准
《化工单元仿真实训-流体输送》课程标准1.课程说明《化工单元仿真实训-流体输送》课程标准课程编码〔〕承担单位〔〕制定〔〕制定日期〔〕审核〔〕审核日期〔〕批准〔〕批准日期〔〕（1）课程性质：本门课程是应用化工技术专业的核心课、必修课。
（2）课程任务：主要针对化工产品工艺和生产操作工、分析检验人员、设备维护员、生产管理员等所从事的工艺制定与实施、原辅材料预处理、产品提取等典型工作任务进行分析后，归纳总结出其所需的设备的操作、调试、检修、维护等能力要求而设置的课程。
（3）课程衔接：在课程设置上，前导课程有《化工单元操作实训-流体输送》，后续课程有有机化工工艺实训（仿真）等。
2.学习目标总体目标是使学生在具备化工单元操作必备的理论知识基础上，自己动手掌握流体输送等化工单元的基本知识和工艺流程，能根据工作任务需要选取不同的单元操作方式及不同类型的装置，能对操作效果进行评价并提出意见。
使学生毕业后能胜任应用化工、石油化工等相关企业生产一线需要，成为服务于化工等企业生产一线的高素质技能型专门人才。
学生通过本门课程的学习，应达到具体学习目标如下：1）知识目标（1）掌握安全操作规程、流体输送的工艺流程（2）掌握常见流体输送设备例如离心泵的工作原理（3）掌握化工单元操作的自动控制运行规程（4）熟知设备的结构组成与操作原理（5）能识别和排除化工单元操作流体输送装置运行中常见的故障2）能力目标（1）树立安全使用和维护化工设备的意识；（2）掌握流体输送化工单元操作开车、正常运行、停车的操作方法；（3）具备操作过程中工艺参数的调节能力；（4）掌握生产工艺流程图的读取和绘制方法；（5）引导学生自我规划和自主学习，通过不断分析自己的能力水平和知识体系，制定自我发展的能力；（6）学习多种渠道获取信息的方法，掌握对信息进行归纳分析的能力；（7）通过真实岗位设置下的协同操作训练，增强团队合作意识和组织协调能力3）素质目标（1）崇尚宪法、遵法守纪、崇德向善、诚实守信、尊重生命、热爱劳动，履行道德准则和行为规范，具有社会责任感和社会参与意识；（2）良好的学习观念、社会实践能力和社会适应能力（3）化工生产规范操作意识，具有良好的观察力、逻辑判断力、紧急应变能力。
化工原理上册天津大学柴诚敬2728学时
16
恒压过滤
当过滤介质阻力可以忽略时， 恒压过滤方程式
V 2 KA2 q2 K
17
恒压过滤
Ve
介质常数
过滤常数
qe
K
由实验测定
18
第三章、非均相混合物 分离及固体流态化
3.2 过滤分离原理及设备 3.2.1 流体通过固体颗粒床层的流动 3.2.2 过滤操作的原理 3.2.3 过滤基本方程式 3.2.4 恒压过滤 3.2.5 恒速过滤与先恒速后恒压的过滤
(V VR ) 转入恒压操作后所得的滤液体积。
( R ) 转入恒压操作后所经历的过滤时间。
23
第三章、非均相混合物 分离及固体流态化
3.2 过滤分离原理及设备 3.2.1 流体通过固体颗粒床层的流动 3.2.2 过滤操作的原理 3.2.3 过滤基本方程式 3.2.4 恒压过滤 3.2.5 恒速过滤与先恒速后恒压的过滤 3.2.6 过滤常数的测定
19
恒速过滤与先恒速后恒压的过滤
恒速过滤
恒速过滤是维持过滤速率恒定的过滤方式。 在这种情况下，由于随着过滤的进行，滤饼不断 增厚，过滤阻力不断增大，要维持过滤速率不变， 必须不断增大过滤的推动力——压力差。
dV
Ad
V
A
q
uR
常数
20
恒速过滤与先恒速后恒压的过滤
代入过滤基本方程式，得到
p ruR2 ruRqe
27
一、板框压滤机
28
一、板框压滤机
29
一、板框压滤机
30
一、板框压滤机
动画17
31
二、加压叶滤机
动画27
32
三、转筒真空过滤机
33
练习题目
思考题 1.从过滤基本方程式分析提高过滤速率的措施。 2.板框压滤机与叶滤机的洗涤方式有什么差别 ？ 3.试分析过滤压力差对过滤常数的影响。 作业题: 6、7、8
化工流体流动 25-26学时
1 s
r v(q qe )
p
对于不可压缩滤饼 s 0 r r
dq d
rv (q qe )
u R 常数
求解得
p
2 rvu R
线性 关系
rvu R qe
～ p
二、先恒速后恒压过滤
比较 恒速 过滤 恒压 过滤 过滤后期压力很高，可能 引起过滤设备泄漏或动力 设备超负荷。 过滤初期无饼层或饼层很 薄，较高的过滤压力会使 细小颗粒通过介质而使滤 液浑浊。
一、恒压下 K、qe、 e 的测定
由
q 2qe q K
2
微分得 2(q qe )dq Kd 或
d dq 2 K q 2qe K q 2 K q 2q e K
斜率 直线 关系 截距
2 K 2qe K
一、恒压下 K、qe、 e 的测定
实验：在过滤面积 A上对待测悬浮液进行恒压过滤
二、连续过滤机的生产能力
由
(V Ve )
V
2
2
KA ( e )
2
KA ( e ) Ve
KA (
2
60 n
e ) Ve
2 2 Q 60 nV 60 KA (60n e n ) Ve n
若 滤布阻力可忽略 则
1.转筒真空过滤机的装置与结构
转筒真空过滤机装置示意图
四、转筒真空过滤机机
14 吸干区 12-13 洗涤区 11不工 作区 8-10 吸干区 1-7 过滤区 1617 1-10 15不工 作区 16-17 卸料区 18不工 作区 1214
转筒及分配头的结构
四、转筒真空过滤机
《化工基础》课程教学大纲
《化工基础》课程教学大纲课程名称：化工基础课程类别：专业主干课程适用专业：化学考核方式：闭卷考试总学时、学分：48 学时 3 学分其中实验学时：0 学时一、课程教学目的化工基础是在高等数学、物理学及物理化学、化学等课程的基础上开设的一门基础技术课程，是研究化工原理、过程和设备的一门学科。
本课程是化学与材料科学学院化学教育专业的必修课。
其主要任务是研究化工单元操作的基本原理，典型设备的构造及工艺尺寸的计算或设备选型。
通过本课程的学习，培养学生分析和解决有关单元操作问题的能力，通过本课程的学习使同学对化工基础原理和过程有比较完整和系统的了解,正确掌握化工生产中的基本原理；使学生能运用所学的化工知识，说明和解决一些相关的实际问题；学生毕业后能胜任化学生产和开发研究工作。
课程要求同学全面掌握化学工程的理论基础和应用实践技能，并对化工的发展趋势和动态有所了解，为后续课程打好坚实的基础。
二、课程教学要求本课程以动量传递、热量传递、质量传递和化学反应过程为基本结构，主要有流体流动与输送、传热过程、传质过程和吸收等内容。
课程教学要求：1．注意本课程与高等数学、物理、物理化学和化学的相关内容的相互关联，注意适当引导学生加以联系，更好的接受新内容。
2．注意讲清本课程中的基本概念和基本理论，在保持课程的理论性和应用性的基础上，应突出重点、难点，并努力反映本学科的现实意义和实用意义。
注意基础理论的贯彻、理解和掌握，凡是涉及到化工生产和化学反应过程的案例和问题，应该特别引起重视，并加以引用，以体现其理论与应用相结合的特色，架起理论研究与应用实践之间的桥梁；3．本课程内容较多，交叉学科面广，因此对基础较弱的学生有一定难度，建议学生适当自学其它相关学科的相关内容，并加以引导。
4. 本课程的难点在于应用实践，由于学生没有参加过生产实习，对这门课程的理解仅限于书本和授课内容。
可引导学生查阅资料，扩大知识面，以培养学生理论联系实际的能力。
《化工基础》课程教学大纲
《化工基础》课程教学大纲（一）课程性质与任务《化工基础》分析化学是研究物质化学组成的方法及理论的一门学科，是化工类各专业的重要主干基础课，通过学习本课程，可培养学生分析和解决有关单元操作各种问题的能力，以便在化工生产和管理工作中达到强化生产过程，提高产品质量，提高设备能力及效率，降低设备投资及产品成本，节约能耗，防止污染以及加速新技术开发等方面的目的。
该课程主要包括：化工单元操作基础、单元反应基础、化学工艺基础。
化工单元操作基础部分包括：流体输送；热量传递；混合物分离；蒸馏。
单元反应基础包括：单元反应。
化学工艺包括：化工工艺概论；无机物化工实例—硫酸的生产；有机化工实例—氯乙烯；精细化工概述。
本课程主要任务：使学生掌握化工生产自动化类相关专业必备的化工生产中单元操作的基本原理、典型设备及其计算（包括选型）方法，以培养学生分析和解决有关工程实际问题的能力。
本课程强调工程观点、定量计算和工程设计（研究）能力的训练，强调处理工程问题的方法论，强调理论与实践的结合，为学习后续专业技能课程打下基础；除此之外，对学生进行职业意识培养和职业道德教育，提高学生的综合素质与职业能力，增强学生适应职业变化的能力，为学生职业生涯的发展奠定基础。
（二）课程教学总体目标通过对单元操作基本原理、过程计算和典型设备的讲授，培养学生从过程的基本原理出发，观察、分析、综合、归纳众多影响因素，从中找出问题的主要方面的能力。
通过本课程学习，培养学生的自学能力和独立工作能力，初步具备根据所处理问题的需要，寻找、阅读有关手册、参考书、文献资料并理解其内容。
结合生产生活实际，培养对化工技术的学习兴趣和爱好，养成自主学习与探究学习的良好习惯；通过课堂讲授、习题课、讨论课、课外作业以及化工基础实验、认识实习（另见有关教学大纲）的系统训练，培养学生严谨求实的科学态度和一丝不苟的工作作风。
强化安全生产、节能环保和产品质量等职业意识，养成良好的工作方法、工作作风和职业道德。
第一章 流体流动 - 化工原理第三版 王志魁编课程课件
9
三、流体的研究方法
在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微 团组成的连续介质。
流体微团或流体质点：它的大小与容器或管道相
比是微不足道的，但是比起分子自由程长度却要大得 多，它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来 求出宏观的参数（如压力、温度），从而使我们可以 观察这些参数的变化情况。
38
四、流体静力学基本方程式应用
（一）、压力测量
1 U型管液柱压差计 （U-tube manometer） 指示液密度ρ0，被测流体 密度为ρ，图中a、b两点的 压力是相等的，因为这两点 都在同一种静止液体（指示 液）的同一水平面上。通过 这个关系，便可求出p1－p2 的值。
39
根据流体静力学基本方程式则有： U型管右侧
34
由上式可知：
当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小， 与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此，在静止的、 连续的同一液体内（适用条件），处于同一水平面上的各点的 压力都相等。此压力相等的水平面，称为等压面。
当液面的上方压力p0有变化时，必将引起液体内部各点压力 发生同样大小的变化。 p2＝p0＋ρ gh可改写为
• 流体静力学基本方程式 • 流体静力学基本方程式的应用
14
几个基本概念
一、 密度与比体积（比容） 1.定义：单位体积流体所具有的质量。 ρ= m / V [ kg ·m-3] 2、影响因素：温度和压力 3、气体与液体密度的计算
4、比容：单位质量的流体所具有的体积
V 1 m [m 3 / kg]
p p0 g
h
35
由上式可知，压力或压力差的大小可用液柱高度表示。
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1-内管
2-外管
套管式换热器
4.1.2 冷热流体的热交换方式
动画： 蛇管式换热器
容器
蛇管
蛇管式换热器
4.1.2 冷热流体的热交换方式
单管程
壳流 体
壳 程
管 程
管流 体 1-折流挡板
2-管束 3-壳体 4-封头 5-接管 6-管板
动画： 列管式换热器
管壳式（列管式）换热器
4.1.2 冷热流体的热交换方式
4.1 概述 4.1.1 热量传递的基本方式
1. 热传导（导热） 由于分子的无规则热运动而形成的热量传递
现象—热传导（简称导热）。
导热的推动力：温度差
导热在气体、液体和固体中均能发生
分子、原子、 自由电子微观 粒子
4.1.1 热量传递的基本方式
2. 对流传热 由于流体内部质点的宏观运动而形成的热量 传递现象—对流传热（简称对流）。
管程数 管流体在管内依次往返的次数
NP 1 NP 2 NP 4
4.1.2 冷热流体的热交换方式
管壳式换热器传热面积
S ndL
传热面 积 管数
管长 管径
do
di
外侧面积 内侧面积
平均面积
S o nd o L Si nd i L S m nd m L
di do dm 2
无关
0 oC 时的 导热系数
温度系数
0 (1 t )
4.2.4 影响导热系数因素
多数金属材料 温度 系数 注意 多数非金属材料 理想气体
0 0
1/ T
f (温度场的位置 )
一般为平均导热系数
各方向导热系数相等 —多维导热同性
4.2.5 导热系数的来源
dQ q dS t q R
单位传热面的热阻
m2 · ℃ / W
4.1.4 热载体及其选择
1.热载体的概念
水 蒸汽 蒸汽 液体 液体 热 油 热载体 冷却介质 热载体 加热介质
蒸汽冷凝
液体汽化
4.1.4 热载体及其选择
2.热载体的选择 热载体选择原则
温度易调节控制 饱和蒸汽压较低，减少消耗 热稳定性能好，加热时不易分解 毒性小，不易燃、易爆，不易腐蚀设备 价格便宜，来源容易
低温物体
吸收辐射能 转为热能
任何物体都能发射辐射能 两物体温度差很大时才考虑辐射传热
4.1.2 冷热流体的热交换方式
1. 直接接触式换热 在换热器内冷流体 与热流体直接接触进行 换热。
混合式换热器
4.1.2 冷热流体的热交换方式
2. 蓄热式换热 在换热器内，冷 流体与热流体交替流 过蓄热器进行换热。
4.2.1 基本概念
2.等温面 定义 温度场中同一时刻相同温度各点所组成面积 性质 温度不同的等温面彼此不能相交
某瞬间 任一空 间点不 能有不 同温度 等温面上 温 度处处相 等
沿等温面无热量传递 沿与等温面相交的任何
方向，因温度发生变 化则有热量传递
4.2.1 基本概念
3.温度梯度
4.傅里叶定律的意义和表达形式如何？
作业题: 无
4.1.3 传热量表示方法
1.传热速率 定义 单位时间内通过传热面的热量。 符号 单位
Q
J / s (W)
整个传热面 的 ℃/W 热阻
传热现象方程
传热速率
传热推动力(温度差) 传热阻力
t Q R
4.1.3 传热量表示方法
2.传热通量 定义 单位传热面积内的传热速率。 符号 单位
q
W / m2
4.1.4 热载体及其选择
常用冷却剂及其适用温度范围
冷却剂
适用温度 ℃
水（自来水、河 水、井水）
0～80
空气
盐水
氨蒸汽
>30
0～−15
−15～−30
4.1.4 热载体及其选择
常用加热剂及其适用温度范围
加热 介质 热 水 饱和 蒸汽 矿 物 油 联 苯 混合物 熔 盐 烟 道 气
适用 255～380 402～530 ～1000 温度 （蒸汽） ℃
t t grad t lim n 0 n n
一维稳态温度场
温度 梯度
n
dt grad t dx
传热方向： 高温 梯度方向： 低温
低温 高温
4.2.2傅里叶定律
描述热传导的基本定律—傅里叶定律。
t dQ dS n t dQ dS n
导 热 速 率 导热 系数 导热 面积
对流传热的推动力：温度差 对流传热在气体、液体中发生
对流 传热 强制对流传热 外力作用引起 流体的密度差引起
自然对流传热
4.1.1 热量传递的基本方式
3. 辐射传热 物体以电磁波方式传递能量的现象—辐射。 因热的原因引起的电磁波辐射—热辐射。 辐射传 热过程 注意 高温物体
热能转为 辐射能 以电磁波形式
0.006 0.6 W/( m . oC） 0.07 0.7 0.2 3.0 15 420 0.25
W/( m . oC） W/( m . oC） W/( m . oC） W/( m . oC）
练 习 题 目
思考题 1.传热的方式有哪些？ 2.何为间壁式传热，其传热过程如何？ 3.何为温度场和温度梯度?
导热系数获取途径 实验测定 手册中查取 混合物导热系数计算 有机化合物水溶液
质量 分数
摩尔 分数 摩尔 质量
m 0.9ai i
m
i yi M i1/ 3 yi M i1/ 3
有机化合物互溶溶液 m ai i 常压下气体混合物
4.2.5 导热系数的来源
导热系数数量级 气体 液体 非导固体 金属 绝缘材料
4.1.5 稳态传热
温度场
时间 空间坐标
t f ( x, y, z, )
稳态传热
输入能量 = 输出能量
t f ( x, y, z )
t 0 Q 常数
Q
t1 t2
4.1.6 非稳态传热
非稳态传热 输入能量 = 输出能量 + 累积能量
流体 温度
t f ( x, y, z, )
t 0
表面 温度 初始 温度
tb Q ts t0
Q 常数
4.2 热传导
1.温度场 温度场
4.2.1 基本概念
t f ( x, y, z, )
t 0 t 0
稳态温度场 一维温度场
t f ( x, y, z )
t 0 y
t 0 z
t f ( x)
傅里叶定律
温度 梯度
4.2.3 导热系数概念
定义
dQ t dS n
W/( m . oC）
单位 意义
单位温度梯度下的热通量 表征物质导热能力的大小 物质的重要物理性质
4.2.4 影响导热系数因素
影响因素 气体
液体 固体
～ t ～ p ～ t ～
p
无关（极高、极低压力除外）
蓄热式换热器
4.1.2 冷热流体的热交换方式
3.间壁式换热 (1)间壁换热方式 在换热器内，热流体与 冷流体通过间壁进行换热。 间壁式换热的步骤 热流体以对流方式将热量传递给壁面 热量以热传导方式由壁面一侧传递至另一侧 热量再以对流方式传递给冷流体
4.1.2 冷热流体的热交换方式
(2)典型的间壁式换热器 工业生产中主要采用间壁式换热器。 动画： 套管式换热器