化工传递过程

1、现象物系内具有强度性质的物理量分布不均匀时，物理量则会向平衡状态转移，即为传递现象，平衡的过程称为传递过程。动力物系内具有强度性质的物理量所存在的梯度梯度最终状态达到平衡研究平衡态之间的关系为热力学速率单位时间内所传递的物理量，即传递的快慢，本课程研究的内容通量单位时间、单位面积上所传递的物理量，为速率的辅助单位，可以定量的表述传递的强度方式分子传递通过分子的微观运动涡流传递 通过流体微团的宏观运动微观 （micro-scale）流体中的基本微粒介观 (meso-scale)宏观 (macro-scale)和流体分子相比无限大，包含“无限”多个分子，能反应出流体分子的平均特性 （质点）和设备尺

2、寸相比无限小，微团之间无空隙，相邻微团的参数变化应连续 实际问题 观察 分析 归类 简化 建立物理模型 建立数学模型 微分方程 初始、边界条件 求解数学模型传递过程模型随机模型经验模型对现实世界某指定现象或过程，为特定的目的做一些必要的简化与假设，用适当的数学工具得到一个数学结构。直接根据物理或化学基本原理建立的模型，其参数是未知的，须由实验数据估计，本课程讨论传递过程模型建立的方法。在化学工程中存在一些量，人们并不知道它的精确值，但知道该变量取某个值的概率，描述这些随机因素的模型为随机模型最低级的模型，仅仅是实验数据的关联，变量之间的函数是任意的。The law of conservatio

3、n of mass, also known as principle of mass/matter conservation is that the mass of a closed system will remain constant over time. The mass of an isolated system cannot be changed as a result of processes acting inside the system. The first law of thermodynamics, an expression of the principle of co

4、nservation of energy, states that energy can be transformed (changed from one form to another), but cannot be created or destroyed. Newtons second law: A body of mass m subject to a force F undergoes an acceleration a that has the same direction as the force and a magnitude that is directly proporti

5、onal to the force and inversely proportional to the mass.质量守恒能量守恒动量守恒流体由大量的彼此之间有一定间隙的分子组成，各个分子都做着无序的随机运动随机运动。 流体静止流体的特性流体的密度可压缩流体与不可压缩流体流体的压力流体平衡的微分方程流体静力学方程 流动流体的基本概念流速与流率稳态流动与非稳态流动黏性定律与黏度 黏性流体与理想流体非牛顿型流体流动形态与雷诺数动量传递现象 流体的静止状态是流体运动的特定状态，即流体在外力作用下处于相对静止或平衡的状态。MVdMdV流体的密度流体的密度 均质流体非均质流体即空间各点单位体积所包含的流

6、体质量的数值不同，故采用点密度流体的比体积流体的比体积单位流体质量的体积1VM可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体与不可压缩流体密度随空间和时间的变化关系流体的压力流体的压力流体平衡的微分方程流体平衡的微分方程垂直作用于流体单位面积表面积上的力体积力：质量力或场力重力表面力：流体微元的表面与其相邻流体流体作用所产生的力。静压力, pppXYZxyz流体平衡的微分方程（Euler）, pppXYZxyz静压力的梯度与流体质量力流体平衡的微分方程（Euler）流体静力学方程流体静力学方程 oppgh()pppdxdydzXdxYdyZdzxyzdp密度均匀的静止流体内部静压力随深度的变化规律流速、流

7、率及通量流速、流率及通量流速流速: :流体流动的速度流率流率: :单位时间内流体通过流动截面流动截面的量稳态流动与非稳态流动稳态流动与非稳态流动稳态非稳态00流率流率= =通量通量 X X 截面截面通量通量: :单位时间内流体通过单位流动截面流动截面的量黏性定律与黏度黏性定律与黏度 （Newtons law of viscosity）xdudy由于粘性作用，流体层之间会产生剪切力力粘性流体黏性流体与理想流体黏性流体与理想流体0理想流体0非牛顿型流体非牛顿型流体流体流变图 假塑性流体（pseudoplatic）涂料、油漆、油脂 胀塑性流体（dilatant）树胶水溶液 宾汉塑性流体(Bingha

8、m plastic)泥浆、牙膏、纸浆流体流动时依不同的流动条件可出现两种截然不同的流动形态，即层流(laminar flow)和湍流(turbulent flow)流动形态与雷诺数流动形态与雷诺数Red u动量传递现象动量传递现象 u2动量传递方向u1牛顿粘性定律描述了流体层流时的动量传递现象动量方向yxdy动量通量：()d MudAd2/Kgmsms层流时由于流体粘性作用所引起的动量传递现象本质上是分子布朗运动的结果，即为分子传递。engineerscientistgreat scientistone dayone weekone month,()i jjijj ix uuz,ii jjij

9、j ixuurr,ii jjijj idxuudz现象动力物系内具有强度性质的物理量所存在的梯度梯度最终状态速率通量方式分子传递通过分子的微观运动涡流传递 通过流体微团的运动对流传递由流体的宏观运动引起扩散传递分子传递布朗运动涡流传递微团的脉动传递形式分子分子传递的基本规律传递的基本规律分子运动引起的动量动量传递牛顿牛顿粘性定律分子运动引起的热量热量传递傅里傅里叶定律分子运动引起的质量质量传递费克费克定律Adolf Eugen Fick Jean Baptiste Joseph FourierOsborne Reynolds牛顿粘性定律牛顿粘性定律 比例系数，称为流体的粘度流体的粘度； 单位面

10、积上的剪切力称为剪应力；剪应力； 速度梯度。描述分子动量传递的基本定律dyduxdydux傅立叶定律傅立叶定律qdt= -kAdy描述分子导热的基本定律介质的导热系数； 温度梯度。导热通量；t1 t2 t3t1t2t3热流方向Aqkdydt费克定律费克定律 描述 2 组元混合物体系中A存在浓度梯度时的分子扩散：jA 组分A的扩散质量通量；DAB 组分A在组分B中的扩散系数； 组分A的质量浓度梯度。dydcAdydcDdydDjAABAABA费克定律费克定律dydtkAqdydcDjAABAdydux牛顿粘性定律牛顿粘性定律傅立叶定律傅立叶定律1. 均为通过实验现象而关联的方程现象方程2. 传递

11、的物理量与相应的梯度成正比，且沿负梯度的方向传递方程的数学形式相似。3. 各系数只是流体状态的的函数，与传递的物理量或梯度无关系数的意义相似。相似的性质: 来源、形式、意义动量通量动量通量()() d ud u = -= -dydy量纲分析量纲分析u v 动量通量时间面积动量smsmkgmsmkgmN2222动量浓度体积动量33msmkgsmmkg运动粘度smkgmsmkg23动量通量动量通量= =动量扩散系数动量扩散系数动量浓度梯度动量浓度梯度动量传递机理： 层流分子动量传递 两层流体速度不同，具有不同的动量浓度。在动量梯度的作用下，动量将自发地由高动量区向低动量区转移。 微观上，速度较高的

12、流层中的分子以随机运动方式进入速度较慢的流层中；低速流层中亦有等量随机运动的分子进入高速流层，实现动量交换。 量纲分析量纲分析Aq2Jms 32pkJm kg Kmm s K kgJsc 热量通量热量通量 热量通量热量通量= =热量扩散系数热量扩散系数热量浓度梯度热量浓度梯度()()pppd c td c tqk= -= -Acdydy热量通量热量通量热量扩散系数热量扩散系数3kgJKm kg Kpc t热量浓度梯度热量浓度梯度量纲分析量纲分析质量通量质量通量 j jA A 质量通量 质量浓度梯度 质量扩散系数 质量通量质量通量= =质量扩散系数质量扩散系数质量浓度梯度质量浓度梯度dydAAB

13、DAAABdj = -Ddy质量通量=质量扩散系数质量浓度梯度热量通量=热量扩散系数热量浓度梯度动量通量=动量扩散系数动量浓度梯度通量通量= =扩散系数扩散系数浓度梯度浓度梯度的量纲相同，扩散系数m2/s“”表示通量的方向与梯度的方向相反。ABD,上式称为现象方程（Phenomenological equation) 以上分子动量、热量与质量传递的类似性，仅发生在作层流流动的流体内部（动量传递），或固体中（热量或质量传递）。 当流体作湍流运动时，除分子传递之外，还有涡流传递由于流体质点脉动引起的传递。涡流动量、热量与质量传递：()()peHdc tqAdy ()rxdudy eAAMdjdy

14、涡流传递通量涡流传递通量=-=-涡流扩散系数涡流扩散系数涡流浓度梯度涡流浓度梯度1. 相同的量纲2. 分子传递的相似性适用于涡流传递除线性关系3. 扩散系数：物质的物理性质常熟 与流体的性质无关，与湍动的强度等流 动状态有关。4. 涡流扩散系数具有相同的数量级涡流传递 分子传递放大效应！放大效应！1.1 流体流动导论1.2 动量、质量和热量传递的类似性l分子传递的基本定律（Newton, Fourier, Fick）l通量的普遍表达式l涡流传递l量纲及相似性分析1.3 传递过程的衡算方法微分衡算总衡算依据守恒原理对设备尺度范围进行的衡算衡算分子尺度流体微团尺度设备尺度现象方程守恒原理、衡算依据

15、守恒原理对流体微团尺度范围进行的衡算特点：特点：总衡算总衡算针对某设备或其代表部分某设备或其代表部分，依据守恒原理进行的传递规律的研究l由宏观宏观控制体外部个有关物理量的变化来考察控制体内部物理量总体平均总体平均变化l无法了解控制体内部内部逐点的详细变化规律l物料衡算、能量转化及消耗、设备受力流出流入累积0w1WQw2总衡算微分衡算分子尺度宏观水平上描述质量衡算输入的质量流率-输出的质量流率 =累积的质量流率能量衡算输入的热量速率-流出的热量速率+加入的热速率-系统对外作功速率=累积的热速率动量衡算输入的动量速率-流出的动量速率+作用在体系上的合外力=累积的动量速率总衡算w1w2M210dMw

16、wd流出流入累积0已知：质量流率：w1w2210iiidMwwd组分的质量衡算：质量分数：1iiwmaMw22110iiidMw aw ad例13：总质量衡算的通用表达式33151101011666610610 , ABAaaa cosAudA输出质量流率输入的质量流率cos0AVdudAdVd例：流体通过管路的流动 速度与半径的关系流出流入累积0流出的能量速率-流入的能量速率累积的能量速率从外界吸热速率系统对外作功速率osAuEcdA流出的能量流率流入的能量流率tVdEdEdVdd能量累积速率：Q 为控制体从外界吸热速率W为控制体对外界做功速率cosAVduEdAEdVQWdcoseAWWpudA E：内能、动能和势能内能：内部所具有能量的总和。 U U动能：平动或旋转而具有的