化 工 基 礎(chǔ)(教案)

1、化 工 基 礎(chǔ)教 案課 程 名 稱 化工基礎(chǔ) 學(xué) 時(shí) 學(xué) 分 學(xué)時(shí) 專 業(yè) 班 級(jí) 1503化工技術(shù)類授 課 教 師 王蕊蘭 本 課 程 教 學(xué) 總 體 安 排課 程 名 稱：化工基礎(chǔ) 課程性質(zhì)與類型：專業(yè)必修課 總學(xué)時(shí)：106學(xué)時(shí)教學(xué)目的與要求： 化工基礎(chǔ)是以定性闡述基本概念和基礎(chǔ)理論為主，進(jìn)行少量必要的定量計(jì)算，通過(guò)有關(guān)化學(xué)工程基本原理和設(shè)備的感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步加深對(duì)基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)的理解，物理化學(xué)上的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的運(yùn)用使學(xué)生對(duì)化工生產(chǎn)實(shí)際有一定的印象。本課程通過(guò)理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程實(shí)習(xí)等實(shí)踐性環(huán)節(jié)相結(jié)合，使學(xué)生牢固建立起"單元操作"的概念，培養(yǎng)學(xué)生工程分析方法及

2、獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。通過(guò)系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐，使學(xué)生具有一定的工程設(shè)計(jì)能力，為未來(lái)的工作和后繼課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。教材及參考書(shū)目：教材：化工基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)出版社 章節(jié)題目：緒論，第一章 流體流動(dòng)與輸送學(xué)時(shí)分配：24學(xué)時(shí)本章教學(xué)目的與要求：本課程的研究對(duì)象和內(nèi)容；學(xué)科發(fā)展史；主要研究方法；單元操作；單位和單位換算。 和規(guī)律去分析和計(jì)算流體流動(dòng)過(guò)程的有關(guān)問(wèn)題，諸如：流體輸送：流速的選擇，管徑的計(jì)算，輸送機(jī)械選型。流動(dòng)參數(shù)的測(cè)量：壓強(qiáng)（壓力）、流速（流量）等。其 它： 課 堂 教 學(xué) 方 案 課題名稱、授課時(shí)數(shù)：緒論，第一章 流體流動(dòng)（1.1 概述）（4學(xué)時(shí)）授課類型（理論課、實(shí)驗(yàn)課、技法課

3、、習(xí)題課等）：理論課教學(xué)方法與手段（講授、討論、指導(dǎo)、多媒體等）：多媒體教學(xué)目的要求：掌握流體流動(dòng)過(guò)程的基本原理、管內(nèi)流動(dòng)的規(guī)律，并運(yùn)用這些原理和規(guī)律去分析和計(jì) 算流體流動(dòng)過(guò)程的有關(guān)問(wèn)題。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：流體靜力學(xué)基本方程及其應(yīng)用；連續(xù)性方程式；伯努利方程式及其應(yīng)用；流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力；能量守衡 控制體的選取 邊界層概念等。 第一章 流體流動(dòng) 第一節(jié) 概述 流體：包括液體和氣體特點(diǎn)：（a） 具有流動(dòng)性 （b） 受外力作用時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)流體流動(dòng)基本原理的應(yīng)用1、 流體的輸送(1) 確定輸送管路的直徑,選擇適宜的流動(dòng)速度(2) 選用輸送設(shè)備,需要確定流體在流動(dòng)過(guò)程中應(yīng)加入的外功2、 壓力、流

4、速和流量的測(cè)量 3、 為強(qiáng)化設(shè)備提供適宜的流動(dòng)條件教學(xué)反思： 課 堂 教 學(xué) 方 案 課題名稱、授課時(shí)數(shù)：1.2 流體靜力學(xué)（4學(xué)時(shí)）授課類型（理論課、實(shí)驗(yàn)課、技法課、習(xí)題課等）：理論課教學(xué)方法與手段（講授、討論、指導(dǎo)、多媒體等）：多媒體教學(xué)目的要求：掌握流體流動(dòng)過(guò)程的基本原理、管內(nèi)流動(dòng)的規(guī)律，并運(yùn)用這些原理和規(guī)律去分析和計(jì)算流體流動(dòng)過(guò)程的有關(guān)問(wèn)題。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：一、流體的壓強(qiáng)及其特性 二、流體靜力學(xué)基本方程式。 第二節(jié) 流體靜力學(xué) -靜止流體內(nèi)部壓力變化的規(guī)律1、 流體的壓縮性 液體的形狀與容器相同，其體積幾乎不隨壓強(qiáng)和溫度而改變。 氣體的形狀與容器完全相同，完全充滿整個(gè)容器，其體積隨壓強(qiáng)

5、和溫度的變化而有明顯改變。 流體的體積隨壓強(qiáng)和溫度而變的這個(gè)性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。1、理想液體：體積絕對(duì)不隨壓強(qiáng)和溫度的變化而改變，在流動(dòng)時(shí)分子之間沒(méi)有摩擦力2、理想氣體：高溫、低壓下的實(shí)際氣體。所以通?？捎美硐霘怏w狀態(tài)方程式來(lái)計(jì)算。2、 流體的主要物理量 1密度、相對(duì)密度和比體積 （1）密度 單位體積流體所具有的質(zhì)量 密度一般從物化手冊(cè)或相關(guān)資料中查得。 氣體的密度1、 從手冊(cè)中查得的氣體密度往往是某一指定條件下的數(shù)值2、 一般當(dāng)壓強(qiáng)不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想氣體來(lái)處理 3、 計(jì)算混合氣體的密度，應(yīng)以混合氣體的平均千摩爾質(zhì)量M均代替M 液體的密度1、 實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定2、 工業(yè)上測(cè)定液體密

6、度最簡(jiǎn)單的方法使用比重計(jì)3、 混合液體的密度 (若體積變化不大) （2） 相對(duì)密度相對(duì)密度為流體密度與4時(shí)水的密度之比,習(xí)慣稱為比重（3） 比體積 定義:單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體,習(xí)慣稱為比容,其單位為m3/2 壓強(qiáng)（壓力）(1) 定義:流體垂直作用于單位面積上的力（2） 壓強(qiáng)的單位及其換算1、1 atm=101.3 kPa=1.033 kgf/cm2 =760mmHg =10.33mH2O 1、1 atm=101.3 kPa=1.033 kgf/cm2 =760mmHg =10.33mH2O 2、 液柱高度表示流體壓強(qiáng) （3） 壓力的表達(dá)方式絕對(duì)壓強(qiáng)（簡(jiǎn)稱絕壓）表壓強(qiáng)（簡(jiǎn)稱表壓）表壓

7、=絕對(duì)壓強(qiáng)（外界）大氣壓強(qiáng)真空度 真空度=（外界）大氣壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)在以后的討論中規(guī)定，對(duì)表壓和真空度均加以標(biāo)注,如果沒(méi)有注明，即為絕壓3、 流體靜力學(xué)基本方程式1、 流體靜力學(xué)基本方程式的形成2、 靜力學(xué)基本方程的討論（1） 在靜止的液體中，液體任一點(diǎn)的壓力與液體密度和其深度有關(guān)。液體密度越大，深度越大，則該點(diǎn)的壓力越大。 （2） 在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力均相等。此壓力相等的截面稱為等壓面。（3） （3）當(dāng)液體上方的壓力或液體內(nèi)部任一點(diǎn)的壓力p1 有變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也發(fā)生同樣大小的變化。3、 靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用（1） 測(cè)量流體的壓力或壓差 U管壓差計(jì)

8、其特點(diǎn)是：構(gòu)造簡(jiǎn)單，測(cè)壓準(zhǔn)確，價(jià)格便宜。但玻璃管易碎，不耐高壓，測(cè)量范圍狹小，讀數(shù)不便。 微差壓差計(jì) 特點(diǎn)：內(nèi)裝有兩種密度相近、且互不相溶的指示液A和B 兩側(cè)臂頂端各裝有擴(kuò)大室 用途：測(cè)量氣體的微小壓力差。 工業(yè)上常用的雙指示液有石蠟油與工業(yè)酒精；苯甲醇與氯化鈣溶液等。（2） 液位的測(cè)量 玻璃管液面計(jì) 液柱壓差計(jì)教學(xué)反思：課 堂 教 學(xué) 方 案課題名稱、授課時(shí)數(shù)：1.2 流體動(dòng)力學(xué)（8學(xué)時(shí)）授課類型（理論課、實(shí)驗(yàn)課、技法課、習(xí)題課等）：理論課教學(xué)方法與手段（講授、討論、指導(dǎo)、多媒體等）：多媒體教學(xué)目的要求：掌握流體流動(dòng)過(guò)程的基本原理、管內(nèi)流動(dòng)的規(guī)律，并運(yùn)用這些原理和規(guī)律去分析和計(jì)算流體流動(dòng)過(guò)程

9、的有關(guān)問(wèn)題。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：實(shí)際流體流動(dòng)的機(jī)械能衡算式；實(shí)際流體流動(dòng)的機(jī)械能衡算式的應(yīng)用 第三節(jié) 流體動(dòng)力學(xué)1、 流量方程式1、 流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任一截面的流體量，稱為流體的流量。2 流速: 單位時(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向流過(guò)的距離（1） 平均流速: 流體在同一截面上各點(diǎn)流速的平均值，稱為平均流速。符號(hào)：u，單位為m/s。（2） 質(zhì)量流速 質(zhì)量流量與管道截面積之比稱為質(zhì)量流速。以符號(hào)G表示，其單位為kg/（m2·s）3 流量和流速流量方程式當(dāng)流量為定值時(shí)，必須選定流速，才能確定管徑。適宜流速由輸送設(shè)備的操作費(fèi)和管路的設(shè)備費(fèi)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡及優(yōu)化來(lái)決定。2、 穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)1 穩(wěn)定流動(dòng)

10、：流體在流動(dòng)時(shí)，任一截面處流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量?jī)H隨位置而改變，不隨時(shí)間而變。2不穩(wěn)定流動(dòng)：流體在流動(dòng)時(shí)，任一截面處流體的流速、壓力、密度等有關(guān)物理量不僅隨位置而變，又隨時(shí)間而變。三、流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的物料衡算連續(xù)性方程流體流動(dòng)的連續(xù)性：當(dāng)流體在密閉管路中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通過(guò)管路任一截面的流體質(zhì)量流量應(yīng)相等。物料衡算式為：若流體是不可壓縮性的液體，且為圓形管子，連續(xù)性方程可寫(xiě)為：若流體是不可壓縮性的液體，且為圓形管子，連續(xù)性方程可寫(xiě)為：4、 流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量衡算伯努利方程1、 流體流動(dòng)時(shí)所具有的機(jī)械能質(zhì)量為m（kg）流體的總機(jī)械能為：2 理想流體的柏努利方程理想流

11、體：無(wú)黏性、流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生摩擦阻力的流體。理想流體進(jìn)行穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，在管路任一截面的流體總機(jī)械能是一個(gè)常數(shù)。即將流體由截面1-1輸送到截面2-2時(shí)，兩截面處流體的總機(jī)械能相等。即流動(dòng)的流體在不同截面間各種機(jī)械能的形式 可以互相轉(zhuǎn)化。流體在任一截面上，各種機(jī)械能的總和為常數(shù)。3 實(shí)際流體的柏努利方程其他形式的衡算方程：（1） 以單位重量（1N）流體為衡算基準(zhǔn) 其物理意義為：每牛頓重量的流體所具有的能量，通常將其稱為壓頭（2） 以單位體積流體為衡算基準(zhǔn)其物理意義為：?jiǎn)挝惑w積不可壓縮流體所具有的能量5、 伯努力方程的應(yīng)用1、 截面選取：兩截面應(yīng)與流體流動(dòng)的方向垂直（此條件下的流體流動(dòng)速度為u），并且流體

12、在兩截面之間是連續(xù)的。2、 基準(zhǔn)面：基準(zhǔn)面必須是水平面。通常把基準(zhǔn)面選在低截面處，使該截面處值為零，另一個(gè)值等于兩截面間的垂直距離。3、 伯努利方程中各項(xiàng)物理量的單位必須一致。流體的壓力可以都用絕壓或都用表壓，但要統(tǒng)一。4、 如果兩個(gè)橫截面積相差很大，如大截面容器和小管子，則可取大截面處的流速為零。5、 不同基準(zhǔn)柏努利方程式的選用：通常依據(jù)習(xí)題中損失能量或損失壓頭的單位，選用相同基準(zhǔn)的伯努利方程教學(xué)反思：課 堂 教 學(xué) 方 案課題名稱、授課時(shí)數(shù)：1.4 流體阻力（6學(xué)時(shí)）授課類型（理論課、實(shí)驗(yàn)課、技法課、習(xí)題課等）：理論課 教學(xué)方法與手段（講授、討論、指導(dǎo)、多媒體等）：多媒體教學(xué)目的要求：掌握

13、流體流動(dòng)過(guò)程的基本原理、管內(nèi)流動(dòng)的規(guī)律，并運(yùn)用這些原理和規(guī)律去分析和計(jì)算流體流動(dòng)過(guò)程的有關(guān)問(wèn)題教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：邊界層的概念；流體流動(dòng)阻力的計(jì)算 第四節(jié) 流體阻力1、 流體的黏度 流體流動(dòng)如何產(chǎn)生的阻力？ 流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，由于流體對(duì)壁面有附著力作用，因此在壁面上粘附著一層靜止的流體，同時(shí)在流體內(nèi)部分子間是有吸引力的，所以，當(dāng)流體流過(guò)壁面時(shí)，壁面上靜止的流體層對(duì)與其相鄰的流體層的流動(dòng)有約束作用，使該層流體流速變慢，離開(kāi)壁面越遠(yuǎn)其約束作用越弱，這種流速的差異造成了流體內(nèi)部各層之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 由于流體層與流體層之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流得快的流體層對(duì)與其相鄰流得慢的流體層產(chǎn)生一種牽引力，而流得慢的流體

14、層對(duì)與其相鄰流得快的流體層則產(chǎn)生一種阻礙力。上述這兩種力是大小相等而方向相反的。因此，流體流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部相鄰兩層之間必然有上述相互作用的剪應(yīng)力存在，這種力稱為內(nèi)摩擦力。內(nèi)摩擦是產(chǎn)生流體阻力的根本原因。 此外，當(dāng)流體流動(dòng)激烈呈紊亂狀態(tài)時(shí)，也會(huì)損耗流體的機(jī)械能，而使阻力增大。可以說(shuō)，流體流動(dòng)狀況是產(chǎn)生流體阻力的第二位原因。 所以，流體具有內(nèi)摩擦力是產(chǎn)生流體阻力的內(nèi)因，流體流動(dòng)時(shí)受流動(dòng)條件的影響是流體阻力產(chǎn)生的外因。另外，管壁粗糙程度和管子的長(zhǎng)度、直徑均對(duì)流體阻力的大小有影響。2 流體的黏度定義：流體流動(dòng)時(shí)流層之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的這種特性。衡量流體黏性大小的物理量（1） 黏度的單位1、 在物理單位制

15、中黏度的單位為（dyn·s/cm2），（泊）用符號(hào)P表示。1P100cP2、 在SI制中黏度的單位為（N·s/m2）或（Pa·s）。3、 黏度單位的換算關(guān)系：1 Pa·s = 10P =1000 cP =1000mPa·s 或者1 cP =1 mPa·s 4、 流體的黏度隨溫度而變化。 （2） 混合液體的黏度（對(duì)于分子不締合的液體混合物）2、 流體流動(dòng)的類型1雷諾實(shí)驗(yàn) 當(dāng)玻璃管內(nèi)水的流速較小時(shí)，紅墨水在管中心呈明顯的細(xì)直線（a） 隨著逐漸增大水的流速，作直線流動(dòng)的紅色細(xì)線開(kāi)始抖動(dòng)、彎曲、呈波浪形（b） 速度再增大，紅色細(xì)線斷裂、沖散，

16、全管內(nèi)水的顏色均勻一致（c）2 流動(dòng)類型及其判定 層流或滯流：當(dāng)流速較小時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)沿管軸做規(guī)則的平行直線運(yùn)動(dòng)，與其周圍的流體質(zhì)點(diǎn)間互不干擾及相混。湍流或紊流：流體流速增大到某一值時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)除流動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)之外，還向其他方向做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，即存在流體質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則脈動(dòng)，彼此混合。判斷流體的流動(dòng)類型-Re流動(dòng)雖分為層流區(qū)、湍流區(qū)和過(guò)渡區(qū)，但流動(dòng)類型只有層流和湍流。3當(dāng)量直徑3、 圓管內(nèi)流體的速度分布1 層流時(shí)的速度分布 2 湍流時(shí)的速度分布 在湍流時(shí)無(wú)論流體主體湍動(dòng)的程度如何劇烈，在靠近管壁處總粘附著一層作層流流動(dòng)的流體薄層，稱為流體邊界層。其厚度雖然很小，但對(duì)流體傳熱、傳質(zhì)等方面影響很大。4、

17、流體阻力的計(jì)算局部阻力：流體流經(jīng)管路中的管件、閥門(mén)或突然擴(kuò)大與縮小等局部障礙所引起的阻力。1 直管阻力的計(jì)算直管阻力：流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)，由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力。h直流體在圓形直管中流動(dòng)時(shí)的損失能量，J/kg；摩擦系數(shù)，無(wú)單位摩擦系數(shù)與管內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)Re和管道內(nèi)壁的粗糙程度有關(guān)（1） 層流時(shí)的摩擦系數(shù) 只與Re有關(guān)（2） 湍流時(shí)的摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re及管壁粗糙程度都有關(guān) （3） 非圓形管的直管阻力2 局部阻力的計(jì)算（1） 當(dāng)量長(zhǎng)度法將某一局部阻力折合成相當(dāng)于同直徑一定長(zhǎng)度直管所產(chǎn)生的阻力，此折合的直管長(zhǎng)度稱為當(dāng)量長(zhǎng)度，用符號(hào)l當(dāng)表示。（2） 阻力系數(shù)法3 管路總阻力的計(jì)算教

18、學(xué)反思：課 堂 教 學(xué) 方 案課題名稱、授課時(shí)數(shù)：1.5 流體的流量與調(diào)節(jié)（2學(xué)時(shí)）授課類型（理論課、實(shí)驗(yàn)課、技法課、習(xí)題課等）：理論課教學(xué)方法與手段（講授、討論、指導(dǎo)、多媒體等）：多媒體教學(xué)目的要求：掌握流體流動(dòng)過(guò)程的基本原理、管內(nèi)流動(dòng)的規(guī)律，并運(yùn)用這些原理和規(guī)律去分析和計(jì)算流體流動(dòng)過(guò)程的有關(guān)問(wèn)題。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：孔板流量計(jì)；文丘里流量計(jì)；轉(zhuǎn)子流量計(jì) 第5節(jié) 流量的測(cè)量與調(diào)節(jié)1、 孔板流量計(jì)當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)的流體通過(guò)孔口時(shí)，因流通截面積突然減小，流速驟增，隨著流體動(dòng)能的增加，勢(shì)必造成靜壓能的下降，由于靜壓能下降的程度隨流量的大小?而變化，所以測(cè)定壓力差則可以知道流量。 若不考慮通過(guò)孔板的阻力損失，在水平管截面1-1和截面2-2之間列出柏努利方程，則孔流系數(shù)的數(shù)值一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。，當(dāng)Re數(shù)超過(guò)某個(gè)限定值之后，亦趨于定值。流量計(jì)所測(cè)定的流量范圍一般應(yīng)取在為定值的區(qū)域，其值約為0.60.7。2、 文丘里流量計(jì) 孔板流量計(jì)由于銳孔結(jié)構(gòu)將引起過(guò)多的能量消耗。為了減少能量的損失，把銳孔結(jié)構(gòu)改制成漸縮減擴(kuò)管，這樣構(gòu)成的流量計(jì)，稱為文氏管流量計(jì)。文氏管流量計(jì)的阻力較小，大多數(shù)