传递过程原理

2020/1/171传递现象导论IntroductiontoTransportPhenomena2020/1/172传递现象导论教学安排：•32学时（1-8周），2学分，考试课程。–星期二：7-8节–星期五：3-4节•学习章节1、绪论、第一章分子传递现象（8学时）2、第二章有限控制体分析（2学时）3、第三章动量传递（12学时）4、第四章能量传递（6学时）5、第五章质量传递（4学时）2020/1/173传递现象导论课程性质、目的和任务本课程介绍动量、热量和质量三种传递过程的原理、规律、研究方法、计算及应用的一门技术基础课程。它作为数学、物理课程的延伸，置于《化工原理》课程之前开设，有利于学生由基础课学习向专业课学习时，尽快适应思维方式的转变，即由严密的逻辑推理转向工程上综合判断，在数理基础课与技术基础课《化工原理》间起桥梁作用。2020/1/174传递现象导论本门课程的任务是：•研究动量、热量和质量传递过程的规律（速率）及影响因素：•探讨动量、热量和质量传递之间的类似性及共同的研究方法。•介绍动量、热量和质量传递规律的应用。学习以动量传递为主。特点：•数学推导多，理论性强——抽象；•研究方法统一，逻辑性强——前后关联大；•工程应用性强。2020/1/175传递现象导论课程教学紧密联系数理基础，从工程问题出发，以物理概念、工程简化、建立模型、一维处理为主。通过对工程问题的物理分析，阐明如何进行合理简化、建立物理模型和数学模型，学习解析计算的方法及在工程上的典型应用。要求掌握动量、热量和质量的传递基本特点和基本规律；掌握利用守恒原理和特征方程建立数学模型的方法；熟悉三种传递现象的类似性和研究方法，了解传递现象在工程中的典型应用。教学基本要求2020/1/176传递现象导论教材：《传递现象导论》（第二版）戴干策等著化学工业出版社，2008年。参考书：•《化工传递过程基础》，陈涛、张国亮著，化学工业出版社，2002年。•《动量热量与质量传递》，王绍亭、陈涛著天津科学技术出版社，1986年。•《传递现象相似》，夏光榕等，中国石化出版社，1997年。2020/1/177绪论1、化工生产过程什么是化工生产？化工生产过程（或技术）——化学工艺(ChemicalTechnology)。化工生产就是人们利用原料（矿物、植物、空气和水等）经过化学加工，以生产人们所需的各种产品的一门产业。2020/1/178绪论聚氯乙烯流程图乙炔、氯混合器氯乙烯反应器水洗塔（吸收）碱洗塔（吸收）冷凝器（换热）精馏塔（精馏）聚氯乙烯聚合釜冷却器（换热）离心机（过滤）干燥器（干燥）旋风分离（沉降）C2H2Cl2成品热风水放空水碱液2020/1/179绪论合成氨流程图CO脱硫（吸收）饱和（吸收）CO变换H2热交换器水洗（吸收）铜洗（吸收）氨洗（吸收）氢氮气压缩机氨合成塔循环机氨分离器（换热）水冷（换热）合成氨加水加氨半水煤气热水贫液铜液2020/1/1710绪论对任何化工生产过程，不管其工艺如何千差万别，它们都有一个共性——在很多相同的设备中进行着原理相同的物理过程。任何化工生产过程中都包含两大类过程：化学反应过程和物理转化过程。2020/1/1711绪论2、化学工程任何一个化工过程，不管其规模如何，都可以分解为为数不多的通用物理过程。这些物理过程有相同的规律、使用同样的设备，称其为——单元操作（UnitOperation）。把具有共性的单元操作抽出来，可以深入研究其原理、设计方法、操作应用等。2020/1/1712绪论•传递过程（TransportProcess）单元操作之间也存在着共性。单元操作中最基本的过程是动量、热量、质量的传递，简称“三传”。在单元操作中，三个传递过程有时单独起作用，如过滤；有时两个、三个传递过程同时起作用，如对流传热、传质。2020/1/1713绪论化学工程(ChemicalEngineering)：研究化学工业生产过程中的共同规律，用以指导化工装置放大、设计和生产操作的学科。传递过程（单元操作）、反应工程组成了化学工程学科的两大支柱，简称“三传一反”。在两个支柱的基础上，又派生出一些其他分支学科，如解决过程极限问题的热力学，解决工艺过程配置组合的化工过程设计及优化等。2020/1/1714绪论•所谓“化工”即是化学工业、化学工艺和化学工程的总称。2020/1/1715绪论•反应工程（reactionEngineering）各种各样的化学反应也可归纳为数不多的几种类型，从而形成了反应工程这个学科，以研究化学反应的规律，从而探讨化学反应器的设计方法和操作应用等。2020/1/1716绪论3.传递过程•传递过程是单元操作的基础。实际上三种传递过程在自然界无处不在，例如：用洗衣机洗衣服、电扇降温、暖气取暖、泡茶等等日常活动都会受传递过程规律支配。•传递过程的研究内容：任何学科之所以成为一门学科，必须具备两个条件：一是要有统一的研究对象；二是要有统一的研究方法。2020/1/1717绪论▲学科的研究对象是：研究流体动量、热量、质量的变化速率（传递速率）规律及影响因素。▲研究方法：一是数学模型法。即在对过程深入分析的基础上，建立简化的物理模型，进而写出数学模型，经简化引入的模型参数，由实验确定，因此该理论也称半理论半实验法。另一方法为经验法，即直接通过实验测定过程参数的变化，拟合出过程规律。2020/1/1718绪论•传递过程研究中用的最多的是半理论半经验法。经验法在工程上应用广泛。而纯理论法只能用来解决一些很简单的传递现象。▲传递过程所回答的基本问题：•（1）阐述“三传”基本理论；•（2）定量描述“三传”现象的基本方法（其基础为：质量、能量、动量守恒）；•（3）“三传”理论在工业上的典型应用。2020/1/1719绪论4、学习要点（1）转变思维方式，树立工程观点；（2）掌握基本概念，熟悉数学模型法；（3）重点学习“方法”；看淡烦琐推导；（4）重视学习过程——预习、笔记、作业。2020/1/1720第一章分子传递现象1.1静态过程和动态过程—平衡和速率宏观上，物体的运动状态只有两种，即：静态和动态。▲静态和动态是相对而言的。当原有条件被破坏，静态可以转化为动态，而动态可以转化为静态。平衡过程和速率过程即是如此。2020/1/1721概论1、平衡过程自然界中存在着大量的正反两个方向的变化，如：盐的溶解与解析、蒸发与凝结、吸附与脱附、氧化与还原反应等。当这些正反两方向的变化达到势均力敌的状态即极限状态，就是所谓的平衡状态，如相平衡、化学平衡。2020/1/1722概论•平衡时净速率为零，如平衡条件发生化，则物系将偏离平衡状态，发生某种物理量的转移，使物系再次趋向平衡。平衡过程的规律是热力学要探讨的问题。2020/1/1723概论2、速率过程不平衡时，正反两个方向上的速率不相等，过程的某些量将随时间而变，过程的净速率不为零。速率过程的规律是动力学要探讨的问题。2020/1/1724概论动力学分为化学动力学和传递动力学。化学动力学探讨化学变化的速率及各种因素对化学反应速率的影响；传递动力学探讨物理变化的速率及有关影响因素。本门课中讨论传递动力学即动量、热量、质量传递过程的速率。2020/1/1725概论▲速率与速度的区别：速度指单位时间内物理量的变化。•任何传递过程的速率均可写成：速率=推动力/阻力速率指单位时间、单位面积上物理量的变化——通量。2020/1/1726概论1.2传递过程的基本变量和基本概念1、质点与连续性假定质点（微团）——含大量分子的流体微团分子自由程质点尺寸设备尺寸连续性假定——流体是由大量质点组成的、彼此没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。2020/1/1727概论2、速度与速度分布物理学定义：动量=质量m×速度u。速度可理解为单位质量物质所具有的动量。即：速度=动量/质量同一物质，速度不同，其动量也不同。2020/1/1728概论▲动量传递当物系中不同分子或质点具有不同的动量时，分子或质点相互接触，就将发生动量传递，即由高流速分子或质点传向低流速分子或质点。动量传递过程的特征变量是流速：流速=动量/单位质量。2020/1/1729概论▲速度分布江河里的水流，中间快，岸边慢，甚至为零，这种现象说明，沿江截面，流速有某种分布。流体在管道和设备中流动时，沿径向截面上各点的流速也不同，并存在一定的规律，此即速度分布。2020/1/1730概论（1）理想流体速度分布（2）平板内速度分布2020/1/1731概论（3）圆管内速度分布2020/1/1732概论在工程计算时，为简便起见，常用平均速度来代替速度分布。//AUudAAVA假定流体沿截面做均匀流动，按各截面体积流率相等原则确定平均流速U。2020/1/1733概论•平均流速与质量流率W、体积流率V的关系：W=ρV=ρUAG=W/A=ρUG称做质量流速（质量通量）。单位[kg/m2s]2020/1/1734概论研究速度分布的意义：（1）是研究热量传递、质量传递、反应工程的基础；（2）依据其规律可在工程上指导过程提高效率，促使设备中流动流体分布均匀；（3）按照速度分布规律计算速度梯度，是解决计算一些工程物理量的途径，如流动阻力。速度分布将是讨论的主要内容。2020/1/1735概论3、温度与温度分布温度是物质微观粒子热运动激烈程度的宏观体现，温度越高，微观粒子热运动的能量越大。物体（流体）的绝大多数性质与温度有关。热量传递过程中特征参数是温度。2020/1/1736概论当过程中或流动系统中存在温度差，就会发生热量从高温处向低温处的传递，即热量传递。在传递过程中，会使物体或系统内部形成某种温度分布，温度分布与流速分布、流体性质、设备条件等因素密切相关。2020/1/1737概论研究温度分布的意义：（1）是研究质量传递的基础；（2）依据温度分布计算温度梯度是解析计算传热速率大小的基础；（3）利用温度分布规律，确定合理的工艺条件或强化过程。温度分布将是热量传递中重要的研究内容。2020/1/1738概论4、浓度与浓度分布▲浓度的表达方式：ni1nCiC1质量浓度ρi=mi/v[kg/m3]摩尔浓度Ci=ni/v[kmol/m3]总浓度对理想流体Ci=nI/V=Pi/RTC=P/RT2020/1/1739概论质量浓度与摩尔浓度的关系：Ci=ρi/miniw11niniyx1111质量分率wi=Ci/C(液体)摩尔分率xI=Ci/C(液体)yI=Ci/C(气体)2020/1/1740概论▲浓度分布当系统中存在着浓度差或系统未达到相平衡时，物质就会从高浓度区域向低浓度区域转移，或从一相转移至另一相，此即质量传递。质量传递的场所均存在浓度变化，即存在浓度分布。浓度分布与速度分布、流体性质、设备条件等因素有关。2020/1/1741概论研究浓度分布的意义在于：（1）计算传递速率的基础。（2）其分布规律是确定传质过程工艺条件的依据。2020/1/1742概论5、传递通量：单位时间单位面积上传递的特征量。通量是表示传递速率的物理量。22/]/[mWsmJtAQq]/[2smkgtAmJi•动量通量：τ=动量mu/（单位时间t·单位面积A）［N/m2］•热量通量：•i组分质量通量:2020/1/1743概论1.3流动问题的数学描述方法1.拉格朗日法：以质点为考察对象，描述其运动参数随时间的变化规律。即描述同一质点在不同时间的状态。物理学中通常采用这种方法。2020/1/1744概论•2.欧拉法：以空间点为考察对象，描述质点通过空间固定位置时，运动参数随时间的变化规律，即直接描述运动参数（如速度、压强等）在指定空间和时间上的变化，在流体力学中通常采用欧拉法。2020/1/1745概论•两种考察方法不同的实例：dtudzudyudxzyx轨线方程为：例1：轨线——同一质点在不同时间所占空间位置的连线，即轨线是某一流体质点的运动轨迹，是拉格朗日法描述的结果。2020/1/1746概论例2：流线——流线是同一时刻，不同质点组成的曲线，流线上各点