化工原理第一章局部阻力教案

阻力实验一、实验目的（1）了解测定摩擦系数、局部阻力系数的工程意义。

（2）掌握圆形直管管路流动阻力损失f p ∆、摩擦系数λ以及局部阻力系数ζ的测定方法，并通过实验了解它们与Re 的关系，巩固对流体阻力基本理论的认识。

（3）学习并掌握对数坐标的使用方法，掌握倒U 型压差计和转子流量计的使用方法。

（4）了解各个管、阀件在管路中的用途。

二、实验原理由于流体存在粘性，流体在管道中流动会产生阻力损失而消耗一定的机械能。

管路是由直管和管件（如三通、弯头、阀门）等组成，流体在直管中流动造成的机械能损失称为直管阻力；而流体流经管件等局部地方时由于流道突然变化会引起边界层分离，边界层分离会产生大量的漩涡，引起形体阻力损失，这种阻力损失称为局部阻力损失。

（1）圆形直管摩擦阻力损失f p ∆和摩擦系数λ的测定根据流体力学的基本理论，无论是层流还是湍流，流体在直管中流过时，摩擦系数与阻力损失之间的关系符合范宁公式：22f u d l p ρλ=∆ （1） 在一根等径的水平放置的圆形直管上，如果没有流体输送机械做功，流体流经一定长度直管引起的阻力损失f p ∆等于此段管路的压力降，即21f -p p p p -=∆=∆ （2）因此，通过测定两截面的压差可得到阻力损失。

在一已知长度和管径的等径水平管段上，通过改变流体的流速，即可测量出不同Re 下的阻力损失f p ∆，按式（1）求出摩擦系数λ，即可得到λ~Re 的关系。

层流时摩擦阻力损失的计算式可由理论推导得到，即哈根－泊谡叶公式：2f 32d lu p μ=∆ （3） 式中：f p ∆ —— 摩擦阻力损失，Pa ；μ —— 流体的粘度，Pa ·s ；l —— 管段长度，m ；u —— 流速，m/s ；d —— 管径，m 。

由式（3）可知层流时的压力损失与速度的一次方成正比，对比式（1）和式（3）可知层流时的摩擦系数为Re64=λ （4）湍流时，由于流动情况复杂得多，未能获得λ的理论计算公式，但可以应用因次分析方法来找出它们之间的关系。

《化工原理》教案第一章：绪论1.1 课程介绍解释化工原理的概念和重要性概述课程的目标和内容1.2 化工过程的基本类型介绍化工过程的四个基本类型：单元操作、单元过程、化学反应和物理变化解释每种类型的特点和应用1.3 化工工艺流程图介绍化工工艺流程图的符号和表示方法分析一个简单的化工工艺流程图1.4 化工生产中的安全和环保强调化工生产中的安全措施和注意事项讨论环保在化工生产中的重要性第二章：流体力学基础2.1 流体的性质介绍流体的定义和分类解释流体的密度、粘度和表面张力等基本性质2.2 流体力学方程介绍流体力学的基本方程，如质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程解释这些方程在化工中的应用2.3 流体的流动讨论流体的层流和湍流流动分析流速、流量和流阻等概念2.4 泵与风机的原理及应用介绍泵和风机的分类和工作原理讨论泵和风机在化工生产中的应用和选择第三章：热力学基础3.1 热力学基本概念介绍热力学的定义和基本术语，如系统、状态、过程和能量解释热力学第一定律和第二定律3.2 热力学方程介绍热力学方程，如状态方程、焓方程和熵方程分析这些方程在化工中的应用3.3 相平衡讨论相平衡的基本原理和相图解释单组分系统和多组分系统的相平衡条件3.4 热传递介绍热传递的类型和方式，如导热、对流和辐射分析热传递的数学表达式和计算方法第四章：化学平衡与反应工程4.1 化学平衡的基本概念介绍化学平衡的定义和基本原理解释化学平衡常数和勒夏特列原理4.2 化学平衡的计算介绍化学平衡的计算方法和步骤分析化学平衡计算中的限制条件和优化问题4.3 反应动力学介绍反应动力学的定义和基本方程解释零级反应、一级反应和二级反应的特点和计算方法4.4 反应器设计介绍反应器的类型和设计原则分析反应器的操作条件、效率和优化问题第五章：分离工程5.1 分离方法概述介绍分离工程的概念和重要性概述常见的分离方法，如过滤、离心、吸附和蒸馏5.2 过滤原理与设备介绍过滤原理和过滤介质的选择分析过滤设备的设计和操作条件5.3 离心分离原理与设备解释离心力产生的原理和离心分离的适用范围讨论离心分离设备的设计和操作条件5.4 蒸馏原理与设备介绍蒸馏原理和蒸馏塔的设计分析蒸馏操作的条件和蒸馏效率的优化第六章：膜分离技术6.1 膜分离原理介绍膜分离技术的定义和基本原理解释膜的筛选作用和选择性分离机制6.2 膜材料的类型及选择讨论膜材料的种类，如聚合物膜、陶瓷膜和生物膜分析膜材料的选择依据和应用领域6.3 膜分离过程及设备介绍常见的膜分离过程，如微滤、超滤、纳滤和反渗透分析膜分离设备的设计和操作条件6.4 膜污染与清洗讨论膜污染的类型和影响因素介绍膜清洗的方法和技术第七章：吸附工程7.1 吸附原理介绍吸附的概念和吸附等温线解释吸附剂的选择和吸附过程的类型7.2 吸附平衡与动力学分析吸附平衡的数学表达式和影响因素讨论吸附动力学的基本方程和特点7.3 吸附塔的设计与操作介绍吸附塔的类型和设计原则分析吸附塔的操作条件、效率和优化7.4 吸附应用实例探讨吸附技术在化工、环境保护等领域的应用实例第八章：离子交换与电解8.1 离子交换原理介绍离子交换的定义和基本原理解释离子交换树脂的选择和离子交换过程的类型8.2 离子交换设备及操作介绍离子交换设备的类型和操作条件分析离子交换效率和优化问题8.3 电解原理与设备解释电解的概念和电解池的类型讨论电解设备的设计和操作条件8.4 电解应用实例探讨电解技术在化工、能源等领域的应用实例第九章：热泵与制冷工程9.1 热泵原理与分类介绍热泵的概念和分类，如空气源热泵、水源热泵和地源热泵解释热泵的工作原理和性能评价指标9.2 热泵系统的设计与运行介绍热泵系统的设计方法和运行条件分析热泵系统的能效比和优化问题9.3 制冷原理与设备解释制冷的概念和制冷循环的类型讨论制冷设备的设计和操作条件9.4 制冷应用实例探讨制冷技术在空调、食品保鲜等领域的应用实例第十章：化工过程控制与优化10.1 过程控制的基本概念介绍过程控制的目标和基本原理解释控制器、传感器和执行机构等基本组成部分10.2 常用过程控制策略讨论常用的过程控制策略，如比例-积分-微分控制（PID控制）和模糊控制分析这些策略在化工过程中的应用10.3 过程优化方法介绍过程优化的基本方法和算法，如线性规划、非线性规划和小肠曲线法解释这些方法在化工过程中的应用和效果10.4 过程控制与优化的案例分析探讨实际化工过程中过程控制与优化的案例，分析其效果和经济效益第十一章：化工过程强化的途径11.1 过程强化的意义强调过程强化在提高化工生产效率和降低成本中的重要性讨论过程强化的目标和方法11.2 反应工程强化技术介绍反应工程中常用的强化技术，如微反应器、固定床反应器和流动床反应器分析这些技术在提高反应速率和选择性方面的应用11.3 分离工程强化技术讨论分离工程中常用的强化技术，如膜分离、吸附和离子交换分析这些技术在提高分离效率和降低能耗方面的应用11.4 能量工程强化技术介绍能量工程中常用的强化技术，如热泵、热交换器和制冷循环分析这些技术在提高能源利用效率和降低运行成本方面的应用第十二章：化工过程中的节能与减排12.1 节能的意义与途径强调节能对于化工生产的重要性讨论节能的途径和方法，如过程优化、设备改进和能源管理12.2 减排的意义与途径强调减排对于环境保护的重要性讨论减排的途径和方法，如废物利用、污染物控制和清洁生产12.3 节能减排技术的应用介绍节能减排技术在化工生产中的应用实例分析这些技术的经济效益和环境效益12.4 节能减排的政策与法规讨论国家和地方关于节能减排的政策和法规分析遵守这些政策和法规的重要性及应对措施第十三章：化工过程中的危险与防护13.1 危险源识别与风险评价介绍危险源识别和风险评价的方法和步骤分析化工过程中可能遇到的危险和风险13.2 安全技术与措施介绍化工过程中常用的安全技术和措施，如泄压装置、防火防爆设施和紧急停车系统分析这些技术和措施在防止事故发生和减轻事故损失方面的作用13.3 职业健康与防护强调职业健康在化工生产中的重要性讨论化工过程中职业病的类型和防护方法13.4 应急预案与救援介绍应急预案的编制和实施分析化工事故应急救援的方法和措施第十四章：化工企业的管理与组织14.1 企业管理的基本原理介绍企业管理的基本原理和方法，如目标管理、绩效评价和组织结构设计分析这些原理在化工企业中的应用和效果14.2 企业战略与规划强调企业战略和规划在化工企业发展中的重要性讨论企业战略的类型和制定方法14.3 企业技术创新与管理介绍企业技术创新的途径和方法分析企业技术创新在提高竞争优势和适应市场需求方面的作用14.4 企业文化建设与员工培训强调企业文化建设在提高员工凝聚力和促进企业发展中的重要性讨论员工培训的方法和内容第十五章：化工行业的现状与展望15.1 化工行业的现状分析全球化工行业的总体状况和发展趋势讨论我国化工行业的发展现状和存在问题15.2 化工行业的挑战与机遇强调化工行业面临的挑战和机遇分析应对这些挑战和机遇的方法和策略15.3 化工行业的发展方向介绍化工行业未来发展的趋势和方向分析低碳经济、绿色化学和可持续发展在化工行业发展中的重要性15.4 化工行业的技术创新与人才培养强调技术创新和人才培养在推动化工行业发展中的重要性讨论技术创新和人才培养的途径和方法重点和难点解析重点：1. 化工过程的基本类型和特点2. 流体力学、热力学和化学平衡的基础知识3. 常见单元操作和单元过程的原理和应用4. 泵与风机、膜分离技术、吸附工程、离子交换与电解、热泵与制冷工程的基本原理和设备设计5. 过程控制与优化的基本概念和方法6. 化工过程强化的途径、节能与减排的措施和技术7. 化工过程中的危险与防护、管理与组织、行业的现状与展望难点：1. 流体力学方程在复杂情况下的应用2. 热力学第二定律和熵的概念理解3. 化学平衡的计算和反应工程的优化4. 分离工程中膜污染和清洗的技术5. 吸附工程中吸附等温线和动力学的分析6. 离子交换与电解设备的设计和操作7. 过程控制中的PID控制和优化算法8. 化工过程强化、节能减排技术的实际应用和效果评估9. 化工企业管理和组织结构的优化10. 化工行业面临的挑战和机遇，以及低碳经济和可持续发展的实践这些重点和难点涵盖了教案《化工原理》的主要内容，学生在学习和理解这些知识点时，需要充分的实践和老师的指导。

《化工原理公开课》教案课题流体在管内的流动阻力课型理论课节 1 课时教学目标了解流体流动产生阻力的原因掌握流体流动类型的判断教学重点Re的计算Re对流动类型的判断摩擦系数λ的计算查表教学难点Re的计算摩擦系数λ的计算查表课前准备（教具、活动准备等）复习旧课，流体流动的可能（学生总结）各因素对流体阻力的影响（学生设想）教师验证。

------产生矛盾-----引出新课教学过程新课一、流体的流动类型1．两种流动类型——层流和湍流雷诺实验演示，红墨水的流动轨迹表象说明，层流和湍流。

为什么会出现这种不同的流动？V有关？如何关联？2.流动类型的判断雷诺准数Re的计算（科学家雷诺发现的）Re≤2000时为层流；Re ≥4000时为湍流；Re在2000~4000的范围内为过渡区巩固实例μρdu =Re例 1-17 20℃的水在内径为50mm 管内流动，流速为2m/s 。

试计算雷诺数，并判断管中水的流动类型。

解：已知d =0.05m ，u =2m/s ，从本书附录中查得水在20℃时，ρ=998.2kg/m3,μ=1.005×10-3 Pa ·s 。

则Re ＞4000，所以管中水的流动类型为湍流雷诺准数计算的特殊规定（非圆和其他管道）当量直径二、不同流动类型的流体产生的阻力滞流时各点的速度沿管径呈抛物线分布，截面上各点速度的平均值u 等于管中心处最大速度的0.5倍 ，湍流时各点的速度沿管径的分布和抛物线相似，但顶端较为平坦，平均速度约为管中心最大速度的0.82倍。

流体流动的阻力分为局部阻力和直管阻力。

局部阻力由输送的管道变宽变窄，阀门等造成。

外因直管阻力由流体的流动速度和流体本身的无规则热运动造成。

内因---有待计算即使不同流动类型局部阻力也是一定的不同类型流动阻力的直管阻力不同1、流体阻力的计算（直管阻力的计算）圆形直管 hf =λ× × （1-26） 式中 hf ——流体在圆形直管内流动时的损失能量，J/k ；l ——直管长度，m ；d ——直管内径，m ； ——流体的动能，J/kg ；9930010005.12.998205.03=⨯⨯⨯==-μρdu Re d l 22u 22uλ——摩擦系数，无单位，其值与Re 和管壁粗糙程度有关。

第一章流体流动1.1概述气体和液体统称为流体。

该流程的设计安装过程中，有如下问题需要解决：1.如何确定输送管路的直径，如何合理布置管路，以保证既能完成输送任务，又经济节约。

2.如何计算流体输送过程中所需的能量，以确定所需输送机械的功率。

3.选用何种仪表对管路或设备中的流速、流量、压强等参数进行测量。

本章的学习要求就是能熟练解决上述问题。

§1 流体静止的基本方程一流体的性质1. 质量和密度单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。

V M =ρ 单位：㎏/m 32、重量与重度单位体积流体所具有的重量称为流体的重度。

V G =γ 单位：N /m 33、比重某物质的密度与4O C 时水的密度之比称为该物质的比重。

水液C od 4ρρ= 比重无单位二、压力1．概念压力——单位面积上所受的垂直作用力。

单位：N /㎡系统的实际压力称为绝压。

当系统的实际压力大于1大气压时，采用压力表测压，压力表读数称为表压。

当系统的实际压力小于1大气压时，采用真空表测压，真空表读数称为真空度。

读数范围：表压> 0 ；0 <真空度< 1。

相互关系：绝压=大气压+ 表压绝压= 大气压－真空度压大气压？绝压绝压绝对零压线三、流体静力学基本方程P O作用在液柱顶面的总压力= P1dA作用在液柱顶面的总压力= P2dA液柱自身重= ρg(Z1-Z2) dA液柱处静止状态，则其受力平衡。

则P1dA +ρg (Z1-Z2)dA = P2dAP1+Z1ρg = P2+Z2ρgZ1P1/ρ+ g Z1= P2/ρ+ g Z2Z2P2————————流体静力学基本方程式中：P/ρ、g Z的单位流体静力学基本方程的物理意义结论1、静止流体内任一点的压力P的大小与该点的深度H有关，H越大，P越大。

2、液面压力有变化，将引起液体内部各点压强发生同样大小的变化。

————————巴斯葛定律3、液柱高度可以表示压力大小，也可以表示静压能和位能。

第1章 流体流动1. 本章学习的目的通过本章学习，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。

2. 本章重点掌握的内容（1）静力学基本方程的应用。

（2）连续性方程、柏努力方程的物理意义、适用条件、应用柏努力方程解题的要点和注意事项。

（3）管路系统总能量损失方程（包括数据的获得）。

流体是气体与液体的总称。

流体流动是最普遍的化工单元操作之一，同时研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。

连续介质假定 从微观讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且分子总是处于随机运动状态。

但工程上，在研究流体流动时，常从宏观出发，将流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。

所谓质点是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。

这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，为连续介质。

流体主要特征 具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。

流体种类 如果流体的体积不随压力变化而变化，该流体称为不可压缩性流体；若随压力发生变化，则称为可压缩性流体。

一般液体的体积随压力变化很小，可视为不可压缩性流体；而对于气体，当压力变化时，体积会有较大的变化，常视为不可压缩性流体，但如果压力的变化率不大时，该气体也可当作不可压缩性流体处理。

1.1 流体静力学1.1.1 密度单位体积流体的质量，称为流体的密度，表达式为V m =ρ （1-1） 式中 ρ——流体的密度，kg/m 3；m ——流体的质量，kg ；V ——流体的体积，m 3。

对一定的流体，其密度是压力和温度的函数，即),(T p f =ρ液体密度 通常液体可视为不可压缩流体，认为其密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可由手册中查得。

气体密度 对于气体，当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算 RT pM =ρ （1-2） 式中 p ——气体的绝对压力，Pa ；M ——气体的摩尔质量，kg/mol ；T ——绝对温度，K ；R ——气体常数，其值为8.314 J/（mol ·K ）。