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流体力学与传热Ⅱ：第 1–10 页

流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
流体力学与传热 Ⅱ ·课堂知识手册
09 月 17 日
课程概况与体系
• 本课程为化工原理上册，内容为流体力学与传热；下册为传质与分离工程
• 课程为期一年， 共包含5 门课： 理论课 （上、 下册） 、 两门实验课、 一门课程设计
• 实验课名称已改为” 流体力学与传热实验”
• 课程面向安工专业，与生产安全、设备安全密切相关
• 课程内容分为原理与设备两部分，课程设计需将二者综合运用
化工生产过程的构成
• 化工生产过程 = 化学加工过程（前处理 + 反应 + 后处理）
• 化学加工过程是发生物质改变的核心过程，但前处理和后处理同样重要
• 工业原料多为工业级产品，含杂质，需前处理 （除杂、 加热、 调压）达到合适反
应状态
• 反应后存在副反应、残留杂质或分相，需后处理精制到一定纯度
• 前处理不足会导致反应效率低、产率低，甚至催化剂中毒使反应无法发生
例
实验室用分析纯/化学纯试剂直接反应； 工业上原料含杂质， 必须经过前处理和
后处理才能保证反应顺利进行。
单元操作的概念与提出
• 化工生产过程由若干简单过程按一定顺序和方法排列组合而成，包含物理过程
和化学过程
• 1915 年由麻省理工学院化工学院首次提出” 单元操作” 概念
• 英文教材中化工原理课程名为 Unit Operations，即由一个个小单元组成
定义
单元操作是由化工生产过程中基本原理和典型设备相同的物理性操作。
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单元操作的特点
• 物理性操作：不涉及化学反应，不改变物料的化学性质
• 共有性：不同化工生产只是单元操作的数目或排列顺序不同
• 基本原理相同：同一单元操作在不同场合基本原理一致（如管道输送均涉及流
体流动与阻力计算）
• 可组合性：对同一工程目的，可采用不同单元操作排列组合实现，考验流程规
划能力
注意
反应设备在化工/制药工业中的投资仅占约 10%， 而单元操作 （物理过程） 设备
占约 90%，因此单元操作的原理与设备都非常重要。
单元操作的分类与” 三传”
• 物理过程分为三传：动量传递、热量传递、质量传递
• 上册内容：流体流动（动量传递） 、非均相分离、传热（热量传递）
• 下册内容：蒸馏、吸收、干燥等（质量传递）
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定义
均相体系：无相界面的混合物（如氯化钠溶液、气体混合物） 。非均相体系：有
相界面的混合物（如水与沙，存在固液相界面） 。
例
水和沙 （非均相） 可用沉降、 过滤分离； 水和乙醇 （均相） 需用蒸馏分离； 空气
和氨气（均相）可用水吸收分离，因氨易溶于水而空气难溶。
上册各章内容
• 第一章流体流动： 动量传递的基础内容， 包括流量、 流动形态、 流动阻力及计算
• 第二章流体输送机械：根据流动阻力选择输送设备
• 第三章非均相分离：沉降、过滤，属于动量传递
• 第四章传热：热量传递规律，涉及换热器（加热原料、冷却产品）
• 第五章蒸发：本课程不讲（化工专业因学时更多才讲）
注意
本课程为 48 学时，化工专业为 64 学时，因此第五章蒸发不在本课程范围内。
下册内容（质量传递）
• 蒸馏：分离互溶的均相液体体系（如水-乙醇提浓）
• 吸收：分离无相界面的气体混合物（如用水吸收氨气）
• 萃取：利用溶解度差异分离
• 干燥：去除物料水分，对食品、奶粉、豆浆粉等含水量有严格要求
• 膜分离：用于水处理等，可分离固液或不同性质的流体
例
酿酒： 初始粗醪糟酒精度仅2% 左右， 通过蒸馏使乙醇富集， 最终得到53 度酒。
本课程学习的单元操作
• 上册学两个：液体输送、传热
• 下册学三个：蒸馏、吸收、干燥
• 蒸发不学；单元操作种类有几十个，受课时限制只选学五个
学习每个单元操作需掌握的核心
• 用途：该单元操作用来干什么，拿到任务能判断用哪个操作完成
• 分离原理：该操作基于什么原理实现分离
• 设备：该过程用什么设备完成（原理与设备并重）
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课程体系与实验安排
• 上册实验：安全、 雷诺实验、 机械能守恒、 离心泵特性曲线、 流体流动阻力、 传
热
• 下册实验：蒸馏、吸收、干燥三个实验
• 非均相分离不做实验，由教师演示
• 实验资料通过 QQ 群发布（雨课堂不便传 Word） ，QQ 群同时作为答疑群
课程设计
• 在原理学习和实验验证之后，进行综合工业设计
• 以精馏塔设计为例：从流程图开始 → 工艺计算（流量、流速、设备量）→ 设备
计算（选型、尺寸）→ 画图
• 给定条件较少，需自行查阅数据、使用经验值
课程性质
• 本课程为专业基础课，是基础课与专业课之间的桥梁
• 前置知识：数学、物理、基础化学、物理化学、热力学
• 侧重解决工程问题（分离、除杂） ，工程观念较强
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注意
本课程不是纯数学计算，计算结果需考量工程可行性。例如设计塔高，若算出
几十毫米，需反思设备是否合理可行。
工程设计的考量因素
• 理论可行性：计算结果需符合工程实际
• 技术先进性：不同单元操作串联方式有优劣之分，需比较节能性
• 经济合理性：考虑成本
• 安全环境：满足安全与环境要求
实验室与工业设备的对应关系
• 实验室回流冷凝管 ↔ 工业冷凝器：原理相同，均为两种流体通过壁面换热
• 实验室滤纸过滤/抽滤 ↔ 工业压滤机： 原理相同， 均为固体被过滤介质拦截、 液
体通过
例
实验室用回流管通冷水冷凝蒸汽并回流；工业上用列管式冷凝器，一种流体走
管内（U 型管/列管） ，另一种走壳程，原理一致。
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化工过程的放大
• 放大路径：实验室研究（几百毫升烧瓶）→ 小试（几升）→ 中试（几百升）→
工业生产（商业化）
• 基本原理相同，但需考虑放大效应
• 玻璃瓶内反应效率高，放大到大型容器后效率可能下降，需强化过程
课程培养能力——开发能力
• 给定任务时，能选择合适的过程和设备
• 能设计整体流程：确定用哪几个单元操作、如何串联、选用哪些设备
• 形成完整的设计方案，即” 开发” 能力
开发过程的四个任务
• 方案选择：需综合考虑经济合理性、技术可行性、环境影响、能耗等因素
• 设备设计：选定方案后，通过工艺计算确定设备的型号与尺寸，不能随意确定
• 操作条件确定： 确定输送流量、 压力、 温度等操作条件， 并验证能否在给定条件
下完成任务
• 过程调整： 当产量或能耗要求变化时， 可调整操作条件 （不改设备） 或改造设备
（强化过程）
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三传的共性
• 三传指动量传递、热量传递、质量传递（反应工程属于 ” 一反”，不在本课程范
围）
• 三传过程具有共性：都涉及一个系数和一个率（梯度）
– 动量传递：黏度 × 速度梯度
– 热量传递：导热系数 × 温度梯度
– 质量传递：扩散系数 × 浓度梯度
• 学习时可类比学习，先学最简单的动量传递（流体流动）
研究方法一：实验研究法
• 先做大量实验，再总结变量间的经验关系式
• 特点：不先建方程，通过实验数据找变量关系
• 缺点：适用性广时实验工作量极大，涉及变量范围广，受实验条件限制
研究方法二：数学模型法
• 属于半理论半经验方法
• 先给出模型，再用数学推导得到物理量之间的关联式
• 缺点：模型与实际情况存在差异，得到的公式在实际应用中需修正
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平衡关系
定义
平衡关系是判断过程能否进行、进行方向及极限状态的基本依据。从分子反应
到人体再到宇宙，一切过程都趋于平衡；打破平衡后系统会发生变化，再重新
趋于平衡。
• 研究单元操作时，首先判断过程能否进行
• 若已达平衡，则过程不能再进行（已稳定）
• 利用平衡关系可判断： 过程能否进行、 进行方向、 极限状态 （即达到平衡时的状
态）
传递速率
定义
所有单元操作的速率公式均为：速率 = 推动力 / 阻力。不同过程的推动力和阻
力表达形式不同，每学一个单元操作需找出其对应的推动力与阻力表达式。
• 强化过程（如强化传热） ：提高推动力或降低阻力
• 减弱过程（如保温） ：降低推动力或增大阻力
– 例：气凝胶内部大部分是空气，导热系数极低，可用于保温、减弱传热
定态过程与非定态过程
定义
定态过程（稳态过程）：物理量不随时间变化，只随位置变化。非定态过程：物
理量随时间和位置都变化。
例
容器同时灌水和排水：
• 若保持液面不变（进 = 出） ，不同位置处的压强只与位置有关，与时间无关
→ 定态过程
• 若液面逐渐下降 （出> 进） ， 压强既与位置有关， 也与时间有关→ 非定态过
程
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• 管内稳态流动时，每个位置的物理量在不同时间段均为定值，便于后续计算
基本单位与量纲
• 基本单位只有 4 个：长度（米） 、质量（千克） 、温度（摄氏度或开尔文） 、时间
（小时、分钟、秒）
• 其他物理量由基本单位组合而成
– 例：密度 = 千克/立方米，量纲为质量除以长度的三次方
三个重要衡算工具
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• 物料衡算：依据质量守恒。对定态系统，输入量 = 输出量（将所有进、出口的
量分别求和后相等）
• 能量衡算：依据能量守恒。输入能量 = 输出能量；若涉及热量，需先规定焓的
基准（何种焓为 0）
• 动量衡算：依据牛顿定律，质量 × 加速度
• 三个衡算贯穿各单元操作过程
课程特点与考核要求
• 课程特点：概念多、公式多、计算量大，工程概念强
• 不及格率约 20%∼30%，考试约 60% 以上为计算题（含填空、选择、问答中的计
算）
• 计算占七八成，计算搞不懂易挂科
注意
计算时务必注意单位，这是工程概念强的课程中极易出错的地方。
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