传递过程主讲人:王宝和[TRANSPORTPROCESSES]1.化学工程学科的2个里程碑第一里程碑——单元操作(UnitOperations)1920年,美国麻省理工学院(综合性私立大学,MassachusettsInstituteofTechnology,MIT)的化学工程脱离化学系而成为一个独立的系(即化工系),由刘易斯(Lewis)任系主任;=化工原理(PrinciplesofChemicalEngineering)有近百年的历史。是继土木工程、机械工程、电气工程之后的第四门工程学科。1920年夏天,化工系的华克尔(Walker)、刘易斯(Lewis)、麦克亚当斯(McAdams)三位教授,将众多的化工生产过程归纳为五大类单元操作,并完成了《化工原理》初稿,油印后作为化工系的教科书;1923年,《化工原理》正式出版,这就是单元操作的正式起点。包括流体输送、过滤、沉降、固体流态化等。流动过程:传热过程:包括导热、对流、辐射、蒸发、沸腾、冷凝等。传质过程:包括吸收、萃取、精馏、干燥、吸附等。热力过程:即流体的温度和压力变化过程。机械过程:包括固体输送、粉碎、筛分等。单元操作是对化工过程的第一次归纳。粉体工程单元操作概念:在化工生产过程中,具有共同物理变化特点的基本操作。主要包括五大类(20多种):化工过程→五类单元操作第二里程碑之一——传递原理(TransportPrinciples)上个世纪50年代初,美国威斯康星大学(UniversityofWisconsin,UW)的教授博德(Bird)、斯图尔德(Stewart)、莱特富特(Lightfoot),把单元操作过程归纳为动量、热量和质量传递过程;传递原理是对化工过程的第二次归纳。传递过程简称“三传”将相关的物理理论和数学方法引入到“单元操作”中,来阐明了传递过程的基本原理,开始着手编写教材《传递现象》,先在威斯康星大学试用;经修订后于1960年正式出版。这部著作的出版几乎和当年的《化工原理》一样产生了巨大的影响,到1978年就印刷了19次。化工过程→五大单元操作→三大传递过程第二里程碑之二——化学反应工程(ChemicalReactionEngineering)1957年,美国俄勒冈州立大学(OregonStateUniversity)的列文斯比尔(Levenpiel)教授正式出版了专著《化学反应工程》。传递原理与化学反应工程一起被称为“三传一反”,构成了化学工程学科的第二里程碑。第三里程碑——?化学反应工程简称“一反”湍流传递问题界面问题多尺度问题空间时间多学科交叉问题三传一反+x过程工程微观、介观、宏观。MD、DPD、CFD。化学工程已由化学工业扩展到冶金、材料、能源、环境、生物等进行诸多物质转化的过程工业。典型例子:汽泡的生成和长大问题。面临的挑战和研究热点化学变化过程?物理变化过程问题计算方法2.研究内容及研究方法流体输送动量传递《化工原理》讨论过的一些典型单元操作:过滤沉降传热蒸发冷凝热量传递萃取吸收质量传递精馏干燥“三传”热量传递+质量传递“传递过程”(TransportProcesses)又叫传递现象、传递原理、高等化工原理、传递、三传等。根据传递机理建立过程的物理模型通过微分衡算推导出描述过程的偏微分方程再利用数学方法,求得速度、温度、浓度分布进而得到动量、热量、质量传递规律。从基本定律出发,采用数学的方法,来研究动量传递、热量传递、质量传递的基本规律,以及三传之间的相似性问题。研究思路:研究内容:特点:更注重数学推导过程。(1)传递机理:(2)传递推动力:(3)三传相似性:动量传递:各层速度不同xu速度差)(xu动量浓度差;热量传递:各层温度不同t温度差)(tcp热量浓度差;质量传递:各层浓度不同。A浓度差机理相似,分子传递和湍流传递(分子传递+涡流传递)。传递过程发生的必要条件?方程相似。牛顿第二定律;热力学第一定律;质量守恒定律。(4)数学处理方法(从)基本定律(出发)Lagrange法;Euler法。牛顿粘性定律;傅里叶(第一)定律;费克(第一)定律。对具体问题进行简化。微分衡算偏微分方程常微分方程通解速度(温度、浓度)分布定解条件(初始条件+边界条件)以分子传递过程为例:第1章:基础知识基本概念[两个(假定)前提、两种传递机理、随体导数];基本定律[牛顿粘性定律、傅里叶(第一)定律、费克(第一)定律];基本方法(Lagrange法、Euler法);基本理论(Prandtl边界层理论);基本方程(连续性方程、卡门边界层积分传递方程、壁面传递通量方程)。3.课程内容安排(5章):第2章:动量传递层流动量传递:N-S方程(组)及其简单情况下的求解(稳态过程、非稳态过程);湍流动量传递:处理问题的方法(管内湍流计算);绕过物体的流动。第3章:热量传递导热:导热微分方程及其求解(典型稳态导热、典型非稳态导热);对流传热:对流传热微分方程的无因次化及传热准数。第4章:质量传递扩散:微分质量衡算方程及其求解(典型稳态扩散、典型非稳态扩散);对流传质:对流传质微分方程的无因次化及传质准数;相际传质理论。第5章:三传类比三传类比的依据及条件;类比方程式。4.讲义:(沙庆云主编)《传递原理》(主要参考书)《传递原理教与学参考》考试形式:闭卷;考试时间:待定;考试地点:待定;答疑时间:待定;答疑地点:化环生学部实验楼D-413;联系方式:化环生学部实验楼D-413;电话:84986167;平时成绩包括:作业+课堂小测验;注意事项:上课时要带计算器。5.成绩=考试成绩+平时成绩第1章基础知识1-1基本概念1.描述流体的两个假定(前提)(1)流体的连续性微观上看,流体(气体、液体)是由大量分子组成的,分子之间具有空隙,是不连续的;由于分子不断运动,平均自由程很小,故可将流体看作为连续介质,即假定流体具有连续性;从而,描述流体的参数(如速度、温度、浓度、密度、压强等)就可以用连续的数学方法(如微分、积分等)来解决流体的动量传递、热量传递、质量传递等问题。例如:标准状态下,1mol空气(假定为理想气体)的体积=22.4L,=6.023×1023个分子,即2.7×1016个/mm3,平均自由程=7×10-4mm。(2)流体的不可压缩性在压力作用下,流体(气体、液体)的体积变小,这就是流体的可压缩性。实际流体均具有可压缩性。但一般情况下,流体的压缩性较小(体积减小5%),可近似作为不可压缩流体处理。对于不可压缩流体,密度=const.(与时间、空间位置无关)。2.描述流场的两种方法(观点)(1)Lagrange法(观点)在运动的流体中,任取一固定质量的流体微元,并追随该微元,观察并描述它在空间移动过程中各物理量变化情况的方法。;constdddzyx微元体的质量观察点运动,且与流体速度相同。流体微元又称微元体:①尺寸足够小;②每个面上的物理量相同。在流场中,取固定空间位置点,观察并描述体积不变的流体微元流经此空间固定点时,各物理量变化情况的方法。(2)Euler法(观点);constdddzyx微元体的体积观察点不动。3.随体导数(Substantialderivative)若描述流体的某个物理量(如密度、压强、温度、速度、浓度等,这里以压强为例)为连续可导函数,其大小与时间(θ)及空间位置(x,y,z)有关,即:),,,(zyxpp全微分为:zzpyypxxpppddddd全导数为:ddddddddzzpyypxxppp(1)观察点静止不动0ddddddzyxppdd即Euler法。例如:将气压计(或温度计)安装在某一确定的位置点,我们观察压强(或温度)随时间的变化率。称为局部导数,某点上某物理量随时间的变化率。某物理量(压强)随时间的变化率,有以下三种情况:),,,(zyxpp例如:将气压计(或温度计)安装在飞机仓外,当飞机飞行时,大气速度与飞机飞行速度不等,我们观察压强(或温度)随时间的变化率。如果飞机不动时,就是第1种情况。(2)观察点运动,但与流体速度不等dddddd000ddddddxyzxyzxyzuuu,,;,,。ddddddddzzpyypxxppp(3)观察点运动,且与流体的运动速度相同,即随流体一起运动zyxuzuyuxdddddd,,变位导数或对流导数(随位置的变化率)。局部导数。称为随体导数、随波逐流导数、Lagrange导数。为全导数的一个特例。即Lagrange法。例如:将气压计(或温度计)悬挂在随大气漂流的气球上,气压计(或温度计)与周围大气速度相等,我们观察压强(或温度)随时间的变化率。ddxyzpppppuuuxyzD=Dpddddddddzzpyypxxppp一般情况:全导数为:ddddddddzzFyyFxxFFF随体导数为:zFuyFuxFuFFzyxDD直角坐标系下,任一物理量(如温度、速度、浓度、密度等)为连续可导函数,则:),,,(zyxF4.传递机理动量、热量、质量的传递既可由分子传递方式,又可由湍流传递方式进行。其传递机理与流体的流动状态有关。(1)分子传递:固体(或静止介质)内的导热或分子扩散。流体层流流动时的三传(动量传递、热量传递、质量传递)。(2)湍流传递:当流体湍流流动时,动量传递、热量传递、质量传递,除了靠微观分子运动引起的传递外,更主要是由宏观流体微团湍流运动产生的涡流传递。湍流传递=分子传递+涡流传递。由微观分子热运动产生的传递。由微观的分子热运动和宏观的流体微团涡流运动相结合的传递。思考题:在哪些情况下,会产生分子扩散?1-2分子传递(三大基本定律)通量(概念):单位时间、单位面积传递的动量、热量、质量,称为动量通量、热量通量、质量通量。(一维)分子传递(三大)基本定律的适用条件:速度、温度、浓度分布仅与y有关的一维传递过程;稳态分子传递过程。1.质量通量—费克(第一)定律由浓度差引起的分子传递—质量通量,可用费克(Fick)(第一)定律来描述。对于双组分(A、B),在任一截面y=y0处,单位时间、单位面积所传递的组分A的质量,即质量通量可表达为:牛顿粘性定律;傅里叶(第一)定律;费克(第一)定律。注意与速率的区别。jA—组分A的质量通量,kg/(m2·s);DAB—组分A在组分B中的(质量)扩散系数,m2/s;ρA—组分A的质量浓度,kg/m3;dρA/dy—组分A在y方向上的质量浓度梯度,(kg/m3)/m。1)-(1dd00AAByyyyAyDj式(1-1)中的DAB=DBA(在第4章加以证明)。式(1-1)中的负号表示质量通量的方向与质量浓度梯度的方向相反,即质量朝着其浓度降低的方向传递。费克(第一)定律的文字表达:质量通量=-(质量)扩散系数×质量浓度梯度。由生理学家Fick于1855年发现的,称为费克定律,又称费克第一定律。2.热量通量—傅里叶(第一)定律由温度差引起的分子传热(导热)—热量通量,可用傅里叶(Fourier)(第一)定律来描述。在任一截面y=y0处,单位时间、单位面积传递的热量,即热量通量可表达为:2)-(1dd00yyyyytkqq—热量通量,J/(m2·s)(W/m2);k—热导率(导热系数),J/(m·s·K)(W/m·K);t—温度,K;dt/dy—在y方向上的温度梯度,K/m。由德国数学-物理学家Fourier,于1822年首先提出来的,称为傅里叶定律,又称傅里叶第一定律。为了用类似于式(1-1)的形式表达,对于密度和比热容可作为常数处理
本文标题:传递过程第1章.
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