冶金传输原理

1、简称“三传”动力过程 简称“三传”动力过程 、 传热过程 的统称。物质传递过程动量动量传输热量的传递与输送n热量传输质量质量传输类似统一,性_I （基本概念、运动冶金三传原理及相似性第一章 概述1 冶金的分类 冶金：钢铁冶金、有色金属冶金。共同特点：发生物态变化固T液态物理化学变化 原料与产品的性质、化学成分截然不同钢铁冶金原料是矿石 产品是钢铁 钢铁工艺流程：长流程 高炉转炉轧机 短流程 直接还原或熔融还 原电炉轧机（1）高炉炼铁：烧结矿或球团矿（铁矿石造块）、焦炭（煤炼焦）、熔剂一冶I 铁水面临主要问题：能源和环保。（2）非高炉炼铁：天然块矿、粉矿或造块、块煤或气体还原剂、熔剂一宀 海绵铁

2、（3）转炉炼钢：铁水、废钢、铁合金、氧气、造渣剂一次精炼 钢水（4）电炉炼钢：废钢（海绵铁）、铁水、铁合金、造渣剂 一次精炼 钢水有色金属冶金 原料是矿石 产品是有色金属（1）重金属：铜（造锍熔炼）、铅（还原熔炼）、锌（湿法冶炼）、锡（火法 精炼）（ 2 ）轻金属：铝冶金、镁冶金（ 3）稀贵金属：锂冶炼、铍冶炼、钙锶钡制取、金银提炼传输原理 传输原理（动量、热量、质量传输）传输是指流体的（输送、转移、传递）规律、解析方法类似）传输原理从 20 世纪中叶以来，随着科学技术的发展，传输理论已成为一门独立 学科，并广泛应用于冶金、材料、机械、化工、能源、环境等领域。冶炼过程：高温、多相条件下进行的复

3、杂物理化学过程。传输过程n冶炼过程中的物理过程（动力学），不涉及化学反应I 冶金原理n动量、热量、质量传递的过程。所以，冶金传输原理即为冶金 中的动量、热量、质量传输理论，它已成为现代冶金过程理论的基础。第二章 动量传输流体的概念物质不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限的变形，这种变形称 为流动，这类物质称为流体，其变形的速度即流动速度与切向力的大小有关， 气体和液体都属于流体连续介质流体是在空间上和时间上连续分布的物质。流体的主要物理性质密度；比容；相对密度；重度流体的粘性粘性在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用 力来阻碍两相邻流体层作相对运动，流体的这种性质叫做流

4、体的粘性，由粘 性产生的作用力叫做粘性力或内摩擦力。由于分子作不规则运动时，各流体层之间互有分子迁移掺混，快层分子 进入慢层时给慢层以向前的碰撞，交换能量，使慢层加速，慢层分子迁移到 快层时，给快层以向后碰撞，形成阻力而使快层减速。这就是分子不规则运 动的动量交换形成的粘性阻力。当相邻流体层有相对运动时，快层分子的引 力拖动慢层，而慢层分子的引力阻滞快层，这就是两层流体之间吸引力所形 成的阻力。牛顿粘性定律单位面积上的粘性力（粘性切应力、内摩擦应力）为F dvT = R xyx A dyt yx说明动量传输的方向（y向）和所讨论的速度分量（x向）。符号表示动 量是从流体的高速流层传向低速流层。

5、粘度是流体的重要属性，它是流体温 度和压强的函数。在工程常用温度和压强范围内， 温度对流体的粘度影响很大，粘度主要依温度而定，压强对粘性的影响不大。当温度升高时，一般液体的粘度随之降低；但是，气体则与其相反，当 温度升高时粘度增大。这是因为液体的粘性主要是由分子间的吸引力造成 的，当温度升高时，分子间的吸引力减小，“值就要降低；而造成气体粘性 的主要原因是气体内部分子的杂乱运动，它使得速度不同的相邻气体层之间 发生质量和动量的交换，当温度升高时，气体分子杂乱运动的速度加大，速 度不同的相邻气体层之间的质量和动量交换随之加剧，所以值将增大。凡是切应力与速度梯度的关系服从牛顿粘性定律的流体，均称为

6、牛顿流 体。常见的牛顿流体有水、空气等，非牛顿流体有泥浆、纸浆、油漆、沥青 等。对于不符合牛顿粘性定律的流体，称之为非牛顿流体。作用在流体上的力从流体中任意取出一流体块，其体积为V,界面为S （图1-5）,作用在 这一流体块上的力可分为两大类：表面力、质量力或者体积力。控制体 所 谓控制体，就是流体在空间中通过其流动的一个区域。第三章 质量传输概念质量传输简称传质，是以物质传递的运动规律作为研究对象的。所谓 质量传输过程，即物质从物体或空间的一部分转移到另一部分的过程叫传 质。当一个体系内部的一种或几种物质组分的浓度不均匀时，各组分就会从 浓度高的地方向浓度低的地方转移，故其推动力是浓度差。冶

7、金过程中的传质发生在不同的物质和不同的浓度之间，而大多数则发 生在二相物质之间。如：氧化、还原、燃烧、汽化、渗碳等是：气固相 间发生吸收、吹炼：气液相间 溶解、浸出、置换：液固相间分子扩散传质和对流传质1扩散传质由于浓度差存在，依靠分子运动引起的质量传输，称为扩散传质，它的 机理类似于粘性动量传输和传导传热过程。2对流传质对流传质是在流体流动体系中，由流体质量点的宏观运动而进行的物质 传递过程。对流传质机理与对流换热相类似。分子扩散传质典型的分子扩散传质发生在流体介质和固体介质中，亦发生在流动的流 体作层流运动时。从本质上说，它是依赖微观粒子的随机的分子运动所引起的。当体系存 在浓度差时，浓度

8、大的分子破坏了均衡态而导致了定向的分子运动，促使浓 度大的区域的分子趋向浓度小的区域，而达到浓度一致，从而完成宏观的质 量传输。通常情况下，分子扩散传质是很缓慢的，传递的质量亦是很少的。对流传质。主要发生在流动介质不同浓度之间或相际的不同浓度之间，即发生在流 体内部，流体与流体的分界面或流体与壁面间，此时，质量传递与动量传递 密切相关。由于对流传质是非常活跃的，往往可将分子扩散传质忽略不计。对流传质N =k (C C )mol/m? secA cAf AwK ：对流传质系数cC ： A 在流体中的摩尔浓度AfC ： A 在固体中的摩尔浓度Aw第四章 热量传输概念热量传输是自然界的普遍现象。根据

9、物理化学的观点，宏观上体系和环 境之间通过做功传递热量，而从微观角度来说，由于温度差的存在，体系和 环境之间能通过分子的互动传递能量，这种能量的传递即热传递。体系和环 境均不具有热量而只具有能量，热是能量的传递。即，热和功一样均为过程 函数而非状态函数，与其路径有关，热量也不是物质的一种性质。传热，根 本驱动力在于温度差，或者温度梯度的存在，正如动量传输中的速度梯度。传热的基本方式有传导传热、对流传热、辐射传热。其中传导传热是最 基本的传热方式，针对接触而言，发生在彼此接触的两物体之间或者同一物 体温度不同的两个部分之间。从微观角度讲，传导传热是依靠分子的热运动 进行的。对流传热是流体流过表面

10、时与该表面之间所发生的热量传输过程，即有 流体存在，并有流体宏观运动情况下所发生的传热。根本驱动力是温度梯度 的存在，前提条件是有流体流动发生。当流体流过一热表面时，热量首先通 过导热方式从壁面传递给临近的流体，然后由于流动作用将受热流体带到低 温区域并与其他流体混合，从而把热量传给了低温流体部分。对流传热分为 强制对流和自然对流。辐射传热是由于物体的温度原因产生的热效应。辐射是依靠电磁波的发 射与吸收传递能量的过程，除了和物体自身的性质、表面状况和温度有关外， 还和物体的空间几何关系密切相关。辐射机理与对流完全不同，因此基本规 律也不同。传导与对流的驱动力在于温度梯度，而具有温度的物体都向外

11、热 辐射，以电磁波的形式向外发射能量，物体温度越高，发射的能量越多。热 辐射是自然界中一切物体的固有属性。温度高的物体在发生热辐射，温度低 的物体也在发生热辐射，热河物体在发生热辐射的同时，也在不断吸收其他 物体的热辐射，并将其转化为自身的内能。两个互不接触物体表面间互相辐 射与吸收，就形成辐射传热过程。若两物体辐射和吸收相抵，交换量为零， 这时动态平衡。辐射传热的最基本定律是斯蒂芬波尔兹曼定律即E =b T4bb式中 E 黑体辐射的能力bb 黑体辐射常数, bT 温度。第五章 三传的相似性三传的相似性指传递过程中的动量传递、热量传递和质量传递三者之间 定量的类比关系。这三种传递过程有相同的传

12、递机理,相同的数学表达形式。 在类比关系的基础上,可以根据已知的一类传递规律,类推其他两种传递的 规律。从微观成因看,物质传递、热量传递和动量传递都是由于分子的无规 则热运动引起的,是大量分子热运动的统计平均行为。动量传递机理牛顿粘度定律流体的宏观性质主要为易流动性、粘性及压缩性。真实流体都有粘性, 当相邻两层流体作相对滑动即发生剪切变形时,在相反方向产生一切应力, 阻止变形的发生。因此,切向应力与剪切变形速度之间存在着一定的关系, 流体的这种性质称为粘性。牛顿粘度定律为：Tyxdv ( y)Tyx5-1)x5-1)d服从这一定律的流体称为牛顿流体。由式（ 5-1）可见，流场中速度分 布不均时

13、会产生动量传递，方向是速度梯度的负方向，即动量从高速区传向T低速区。温度梯度可以看作是动量传递的推动力。 yx 是面力，称为剪应力 或粘性力，这是一种内摩擦力。又称为动量通量，即单位时间通过单位面积 的动量。定义运动粘度U如下5-2)P为流体的密度。若记 L 为长度量纲， M 为质量量纲， T 为时间量纲，则 T 的量纲为2L)2L),的量纲为M（TL）,U的量纲为LT。热量传递机理傅里叶导热定律 即：5-3)q dT(z)5-3)y dyqy是热量通量（单位时间通过单位面积的热量），K是导热系数，是 流体的物性系数。由式可见，当温度场不均匀时会产生能量传递，热量通量 的指向是温度梯度的负方向

14、，即从高温区传向低温区。温度梯度可以看作是 热量传递的推动力。定义扩散系数a如下K5-4)a 5-4)pcp为定压热容，及单位质量流体的等压热容。若记0为温度量纲，则q的量纲为M/T3 , K的量纲为ML（门0），舄的量纲为?（T20），的量纲为？T，与U 一样。5.1.3质量传递机理一菲克扩散定律 二元系菲克定律即dw （ y）j = p DaAyAB dyj 称为质量通量（即单位时间通过单位面积的质量）， D 称为二元扩 Ay AB 散系数，由式可知当浓度分布不均匀时会产生质量传递，质量通量的指向是 浓度梯度的负方向，即质量从高浓度区传向低浓度区。浓度梯度可以看作是 质量传递的推动力。DA

15、B的量纲为L2t，与和a 一样。在层流中，动量、热量和质量这三种物理量的传递机理有相似性，尤其 是在简单的一维传递过程中这种相似性表现的更为明显。从三传的基本定律 看，T yx qy jAy都是通量的概念，即单位时间单位面积传递的量（动量、 热量、质量），从各自的单位能够明显体现出三传概念的一致性。三传中动 量传输、热量传输、质量传输具有传递机理的相似性和物性系数的可比性。三维传递机理在一维情况下，所有的物理量均以标量的形式出现，而在三维的情况下， 温度和浓度是标量，而速度则是矢量，相应的，能量通量和质量通量是矢量， 动量通量则是二阶张量。三维傅里叶定律在各向同性介质中，导热系数K在三个方向上

16、的值相同，流体和多数 均匀固体基本如此。如果温度在三个方向上有变化，则在直角坐标系中，对 每一个坐标方向都可以写出式子： TOC o 1-5 h z dTdTdT八 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document q = -Kq = -kq = -K（5-6）x dxy dyx dz这三个关系式是下面单一矢量式的分量式5-7)(5-8)q = K V T5-7)(5-8)向量VT意指“T的梯度”三维菲克定律类似的，三维菲克定律也是一个矢量式j = pD VA AB A三维牛顿粘度定律三维牛顿粘度定律是一个张量式。由于三维传热和传质机理相似，傅里 叶定律和菲克

17、定律都是矢量方程，且形式相似。而动量传递的机理则不同， 牛顿定律是张量方程。因此传热问题和传质问题的相似性更强。5.3 湍流时动量传输与热量传输的相似性对于不可压缩流体，粘性动量通量和湍流动量通量分别表示为dvdpv(5-10)(2-11)(5-12)二卩匸二u(5-10)(2-11)(5-12)dy dydpvx dy湍流时，总动量通量为dvdpvT =T +T 二 p(U+ ) a 二(U+ )_l tm dym dy式中，U是运动粘度，或称分子动量扩散系数；称湍流运动粘度，或称 湍流动量扩散系数； 红表示单位体积流体的动量在y方向上的梯度。因 dy此式子表示湍流时在 y 方向上传递的动量

18、通量。对湍流时的对流换热做类似分析，分子的导热和湍流脉动附加传递的热通量分别为dtdt(5-13)dy九 pC a (5-13)dyp dy-p-pC pndtdy(5-14)湍流时，总热通量为(5-15)q - q + q -pC (a + )巴-(a + )心(5-15)l t p n dyn dy式中，a是导温系数，或称分子热扩散系数；称湍流热扩散系数；ndy表示单位体积流体的热量在y方向上的梯度。式子表示湍流时在y方向传递 的热量通量。动量传输微分方程为d2ud2udd2ud2ud2uduU (x +x +x ) (Uxdx2dy2dz 2x dx(5-16)热量传输微分方程为d 2

19、t d 2 td 2 tdta (+) (udx2dy2dz2x dxdu+ Uxy dydudu+ u x ) = x z dzdtdt+ u + uy dydt)dtz dzdi1 * ap p dx(5-17)质量传输微分方程为d 2d 2质量传输微分方程为d 2d 2d 2、/dodod、doD (+) 一 (u+ u + u )二ABdx 2dy 2dz 2xdxydyz 氓di(5-18)三传的控制方程可归纳为下面的一般形式d(P) + d(Pu.0) d(J ) + S+ z =dxj + S HYPERLINK l bookmark76 o Current Document d

20、tdxdxjj(5-19)式中，j=i,2,3, “式中，j=i,2,3, “=1，u，t， ； r是扩散系数；S表示源项，r和S对具体的“有具体的形式。三传的规律从本质上说，三传具有一致的规律，但表现为三种不同的现象。宏观有相同的规律：如牛顿粘性定律、傅里叶导热定律、菲克传质定律， 可以用类似的方程来描述。微观相同的规律：传输过程都是因为分子扩散运动和微团脉动运动引起 的。可以用同一机理来阐明。三传具有相同的数学模型和处理方法，如壳体平衡法，微元平衡法，整 体平衡法，量纲分析法。传相似性类比应用动量、热量和质量三种传递过程之间存在许多类似之处，根据三传的类 似性，对三种传递过程进行类比和分析

21、，建立一些物理量间的定量关系，该 过程即为三传类比。探讨三传类比，不仅在理论上有意义，而且具有一定的 实有价值。一方面将有利于进一步了解三传的机理；另一方面在缺乏传质数据时，只要满足一定的条件，可以用流体力学实验来代替传热或传质实验 也可由一已知传递过程的系数求其他传递过程的系数。三传类比方法具有局限性，一般需要满足以下几个条件：物性参数可以视为常数或取平均值。无内热源。无辐射传热。无边界层分离，无形体阻力。传质速率很低，速率场不受传质的影响。面是几种类比方法雷诺类比在热量传输中，已经推导出换热系数a和阻力系数Cf的关系，当Pr=1时，有C=匚=St23-1)根据传输现象的相似性，将雷诺类比用到质量传输过程中去。当流体沿平板做层流流动时，如果Sc=l，边界层内浓度分布与速度分布的关系为y Ag As)l y Ag As)l y=0(伫)1uy=0yg3-2)紧贴壁面有y