化工传递过程基础知识
化工传递过程重点探讨物理过程进行的速率及其 传递机理,动量、热量、质量传递过程的类似性。
第一章 传递过程概述
体系内部具有强度性质的物理量存在梯度时的状态称为
不平衡状态。任何处于不平衡状态的物系都有向平衡状态转 移的倾向,这些物理量朝平衡方向转移的过程称传递过程。 质量传递指物系中的组分由高浓区向低浓区扩散或通过相界 面的转移;热量传递指热量由高温区向低温区的转移;动量 传递则是在垂直于流动方向上,动量由高速区向低速区的转 移。
第二章 总动量、总热量、总质量衡算
在化工中需对系统或某一过程的总动量(对过程包含的力进行分析)、 总热量(了解过程热量和其它能量间的转化关系)、总质量(掌握过程物 料的变化)进行衡算,为研究动、热、质量传递和单元操作的基础,同时 对推导微分动、热、质量衡算也有指导作用(依据定律相同)。
前提:规定衡算范围、基准和对象。在流动过程,通常将进行总衡算 时所 限定的空间区域称为控制体,包围此空间区域的边界面称控制面。
流传r递的通 量d(表u达x式) :
dy
qe
H
d(cPt)
dy
jAe
M
dA
dy
其中:涡流扩散系数ε、εH 、εM 非流体物性参数,与流动条件有关。
二、湍流传递的动量、热量、质量通量表达式
t r
()d(ux)
dy
qt qqe(H)d(dcPyt)
jAtjAjA e(DAB M)ddAy
因此,不仅层流时的三种传递过程之间具有类似性,而且湍流时的三 种传递过程之间也具有类似性,同时层流与湍流传递过程之间均具有类似 性。故可采用类比的方法研究动、热、质量传递过程,在许多场合可用类 似的数学模型来描述动、热、质量传递过程的规律。
3、通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动、热、质量, 各量的传递方向均与该量的浓度梯度方向相反,故普遍式中加“-”号。
第二节 湍流传递条件下传递通量的通用表达 式
一、涡流传递的通量表达式
在湍流流体中,质点的脉动、混合和旋涡运动,使动、热、质量的传
递程度大大加剧。仿照分子传递的方程式,1877年Boussinesq提出了涡
剪应力τyx为动量在其垂直方向上传递的结果, 其大小和动量通量在数值上相等。
说明;对剪应力可正可负,对动量通量只能取负,
表示动量传递的方向和动量浓度梯度的方向相反。
同时动量通量方向和剪应力的方向垂直。
五、小结
1、动、热、质量通量普遍的表达方程式:通量 = -扩散系数×浓度梯度
2、动、热、质量扩散系数具有相同的因次,均为m2/s;
d (cpt) dy
J /m3 ——在y方向上的热量浓度梯度, m
。
“-”表示热量通量的方向与热量浓度梯度的方向相反,即热量着 温度降低的方向传递。 热量通量 = -热量扩散系数×热量浓度梯度
三、动量通量
d dxu y d(d uxy ) d(d uxy )
式中:τ——动量通量(kg·m/s)/(m2·s);ν ——动量扩散系数,m2/s;
绪论
一、化学工程学科的发展阶段 1、工艺过程考察阶段 单纯的过程实践考察,结论异
业各殊,化工厂是由不同的化学反应和物理过程组成, 代 表 作 为 1898 年 F.H.Thorpe “ Outline of Chemistry”。 2、单元操作认识阶段 以某些设备和过程组成的系统是相
同(近)的,将相同的系统经分析、归纳和分类分成若干单 元操作来考察生产过程,化工厂是由若干单元操作和化学反 应 过 程 组 成 的 , 结 论 异 业 有 同 。 代 表 作 为 1923 年 Walker , Lewis “ Principles of Chemical Engineering”。
d A —A在y方向上的质量浓度梯度,kg / m 3
dy
m
“-”表示质量通量的方向与浓度梯度的方向相反,即A朝着浓度降低的方
向传递。
质量通量 = -质量扩散系数×质量浓度梯度
二、热量通量
qkd d y tk cpd( dcpty) d( dcpty)
式中:q——热量通量,J/(m2·s); α ——热量扩散系数,m2/s;
d (ux) dy
——在y方向上的动量浓度梯度k,g m / s m
。
“-”表示动量通量的方向与动量浓度梯度的方向相反,即动量朝着速度降 低的方向传递。 动量通量 = -动量扩散系数×动量浓度梯度
四、动量通量与剪应力
两层流体以ux1和 ux2向前运动,且分子运动引起分子在流层间交换。若质 量为m的流体从1层跳到2层,动量由mux1 增到 mux2 ,同时质量为m的流 体从2层下到1层,动量由mux2减少到 mux1 。从宏观上表现为1层受到2层 的推力,2层受到1层的阻力,动量交换的结果产生了剪应力。
4、信息化阶段
二、化工传递过程课程的内容和任务
化工传递过程是据三个基本定律,采用微分衡算 的方法研究动、热、质量传递过程的基本原理,及三 种传递现象之间的定量关系。其基本出发点是将三种 传递现象归结为过程速率问题加以探讨。动、热、质 量传递过程和现象是不可分割,而且互相作用。
学习本课程的任务是:①进一步理解各种传递 过程的本质,启发和指导我们改善各类传递过程的途 径;②为化工过程的开发和研究提供理论基础和基本 数学模型思路,从而将高新技术应用到化工生产中去。
传递方式:由微观分子热运动所产生的传递为分子传递; 依靠宏观的流体质点的运动造成的传递,称为湍流传递。
传递过程的大小常用传递速率或通量(传递量/m2 s)描述。
第一节 分子传递条件下传递通量的通用表达式
一、质量通量
jA
DAB
dA
dy
式中:jA—A的质量通量,kg/(m2·s); DAB —A的扩散系数,m2/s;
3、化工传递认识阶段 对单元操作研究的基础上
获得共同实质为动、热、质量传递过程,从理论上 步入了异业相同。虽传递过程使用的定律与单元操 作过程一样但方法不同,内容上实践—理论、理 论—实践和理论、实践的统一,方法上采用宏观— 微观、微观—宏观和宏观、微观的统一。代表作为 1960 年 R.B.Bird “ Transport Phenomena” , J.R.Welty , C.E.Wicks , R.E.Wilson “ Fundementals of Momentum,Heat and Transfer”。