化工传递-1传递过程概论

Ch1：传递过程概论----介绍与课程有关的基本概念课后学习与作业：第一章的概念和例题；第一章作业：1-3，1-4，1-7，1-12，1-150传递过程的分类0.1平衡过程与速率过程0.2扩散传递与对流传递大量的物理、化学现象中，同时存在着正反两个方向的变化，如：固体的溶解和析出，升华与凝华、可逆化学反应当过程变化达到极限，就构成平衡状态。如化学平衡、相平衡等。此时，正反两个方向变化的速率相等，净速率为零。不平衡时，两个方向上的速率不等，就会发生某种物理量的转移，使物系趋于平衡。0.1平衡过程与速率过程p6热力学：探讨平衡过程的规律，考察给定条件下过程能否自动进行？进行到什么程度？条件变化对过程有何影响等。动力学：探讨速率过程的规律，化学动力学研究化学变化的速率及浓度、温度、催化剂等因素对化学反应速率的影响；传递动力学研究物理过程变化的速率及有关影响因素。物理过程的速率：1.动量传递过程—物体的质量与速度的乘积被定义为动量，速度可认为是单位质量物体的动量。因此，同一物体，速率不同，其动量也不同。在流体中，若两个相邻的流体层的速度不同，则将发生由高速层向低速层的动量传递。u1u2动量传递方向2.热量传递过程—当物系中各部分之间的温度存在差异时，则发生由高温区向低温区的热量传递。t1t2t3t1＞t2＞t3热流方向3.质量传递过程—当物系中的物质存在化学势差异时，则发生由高化学势区向低化学势区域的质量传递。化学势的差异可以由浓度、温度、压力或电场力所引起。最常见的是浓度差引起的质量传递过程。此时混合物中的某个组分由高浓度向低浓度区扩散传递。BxBxBxBxBBxaaRT,,,,ln传递过程的速率可以用通式表示如下：推动力速率=阻力本课程主要讨论动量、热量与质量传递过程的速率。0.2扩散传递与对流传递对流传递—由流体的宏观运动引起扩散传递分子传递—由分子的随机热运动引起涡流传递—由微团的脉动引起传递xdudy牛顿粘性定律－比例系数，称为流体的粘度；－单位面积上的剪切力称为剪应力；－速度梯度。xdudy0.2.1分子传递的基本定律P15(*)描述分子动量传递的基本定律傅立叶定律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；q/Akdtdyt1＞t2＞t3t1t2t3热流方向费克定律AAABdρj=-Ddy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。Adρ/dy0.2.2涡流传递P18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。涡流传递＞＞分子传递涡流动量、热量与质量传递可表示为：()()peHdctqAdy()rxdudyeAAMdjdy扩散传递0.2.3对流传递的概念由于流体作宏观运动引起的动量、热量与质量的迁移过程，该过程仅发生在流体运动时:动量的对流传递速率：ρuxuxA热量的对流传递速率：ρcptuxAJ/s1kgms/suxtA一、静止流体的特性（一）流体的密度（ρ）均质流体：VMdVdM※非均质流体：ρ：点密度dM：微元质量dV：微元体积※流体：气体和液体的统称图均质水溶液图非均质溶液方法：取一微元，设微元质量为dM，体积为dV密度：zyxf,,1流体流动导论P6（二）不可压缩流体与可压缩流体不可压缩流体：密度不随空间位置和时间变化的流体；※通常液体可视为不可压缩流体可压缩流体：密度随空间位置或时间变化的流体；,,,zyxf※气体为可压缩流体；但如气体等温流动且压力改变不大时，可近似为不可压缩流体。MV流体的比体积（质量体积υ）：1[m3/kg]常数重要APp（三）流体的压力流体表面均匀受力dAdPpp:点压力,dP:垂直作用在微元体表面的力,dA:微元体表面积压力单位及换算压力表示方法图均匀受力图压力P图非均匀受力图※流体表面非均匀受力压力P1atm=1.013×105Pa=1.013bar=1.033kgf·cm-2=7.60×102mmHg绝对压力和相对压力（表压力和真空度）表压力=绝对压力-大气压力真空度=大气压力-绝对压力e.g，p=2atm绝对压力为2标准大气压p=3x105N/m2（表压）p=500mmHg（真空度）zyxfp,,（四）流体平衡微分方程平衡状态（物理意义）：0iF流体微元受力分析：质量力和表面力质量力（体积力）：如重力，静电力，电磁力等※化学工程中，质量力指重力（FB）表面力：是流体微元的表面与其相邻流体作用所产生（Fs）※静止状态：表面力表现为静压力※运动状态：表面力除压力外，还有粘性力※流体平衡微分方程（欧拉平衡微分方程）压力P※流体平衡条件：FB+Fs=0P8流体平衡微分方程（欧拉平衡微分方程）的推导流体平衡条件：0sxBxdFdFx方向平衡条件：FB+Fs=0x方向作用力：质量力（dFBx）：XdxdydzdFBxdydzdxxpppdydzdFsx)(表面力（dFsx静压力产生）：0dxdydzxpXdxdydzdFdFsxBxXxpYypZzp静压力梯度单位体积流体的质量力pfBx方向微分平衡方程：y方向微分平衡方程：z方向微分平衡方程：※静止流体平衡微分方程（欧拉平衡微分方程）重要自己推？读δ或偏（五）流体静压力学方程欧拉平衡微分方程XxpYypZzp质量力：X=0，Y=0，Z=-g0xp0ypgdzdpzp流体静力学方程hppdzgdp00ghpp0积分得：gpph0※对于一定密度的液体，压力差与深度h成正比，故液柱高度h可用来表示压力差的大小（mmHg,mH2O)？？二、流体流动的基本概念（一）流速与流率流速：流体流动的速度，表示为u流速不均匀分布情况下，点流速（在dθ时间内流体流过距离ds）ddxuxddyuyddzuz流率：单位时间内流体通过流动截面的量[m/s]※以流体的体积计量称为体积流率（流量，Vs）m3/s※以质量计量称为质量流率（w），kg/s计算：在流动截面上任取一微分面积dA，其点流速为ux，则通过该微元面积的体积流率dVs？通过整个流动截面积A的体积流率Vs？dAudVxs求解：1.体积流率定义式:2.体积流率积分:AxsdAuV3.质量流率（w）:sVw),,,(zyxfu主体平均流速（ub）:截面上各点流速的平均值AxsbdAuAAVu1质量流速（G）:单位时间内流体通过单位流动截面积的质量（用于气体）bsuAVAwG[kg/(m2s)]（二）稳态流动和不稳态流动※稳态流动：当流体流过任一截面时，流速、流率和其他有关的物理量不随时间而变化，称为稳态流动或定常流动；0数学特征：e.g),,(zyxfu与时间θ无关不稳态流动：流体流动时，任一截面处的有关物理量中只要有一个随时间而变化，称为不稳态流动或不定常流动；重要（三）粘性定律和粘度1.牛顿粘性定律dyduxdydux负号“-”剪应力，单位截面积上的表面力，N/m2；产生：相邻两层流体之间由于粘性作用而产生，粘性力，表面力的一种；动力粘度（粘度），流体的一种物性参数，试验测定，查物化手册；ux在y轴方向上的速度梯度；表示当y增加时，ux减少，速度梯度dux/dy为负值。当dux/dy为正值“+”时，可将负号“-”去掉。重要物理意义：单位速度梯度时，作用在两层流体之间的剪应力；单位：SI单位和物理单位dydux2.动力粘度（μ）SI单位制：物理单位制：3.运动粘度（ν）特性：是温度、压力的函数；PTf,流体的动力粘度与密度的比值，称为运动粘度（ν）※压力对液体粘度影响可忽略，气体的粘度在压力较低时（＜1000kPa）影响较小，压力大时，随压力升高而增大。※气体的粘度随温度的升高而增大；液体随温度的升高而减少；sPamsNmsmmNyu22///)(///22泊Pscmgcmsdyncmscmcmdynyu1P=100cP（五）粘性流体和理想流体（四）牛顿型流体和非牛顿型流体牛顿型流体：遵循牛顿粘性定律的流体；非牛顿型流体：不遵循牛顿粘性定律的流体；※所有气体和大多数低分子量的液体，如水、空气等某些高分子溶液、油漆、血液等dydux粘性流体：具有粘性的流体，也叫实际流体；理想流体：完全没有粘性的流体，即μ=0的流体，自然界不存在；简化问题，对于粘度较小的流体，如水和空气（六）流动形态与雷诺数(Reynoldsnumber)1.雷诺试验层流(laminarflow)：流速较小时，流体成直线状平稳流动。表明流体中各质点沿着彼此平行的直线而运动，与侧旁的流体五任何宏观混合。湍流(紊流turbulentflow)：流速较大时，流体中各质点除了沿管路向前运动之外，各质点还作不规则的脉动，且彼此之间相互碰撞与混合。雷诺实验2.雷诺数（Re）duRe※u和d称为流体流动的特征速度和特征尺寸物理意义：作用在流体上的惯性力和粘性力的比值※Re＜2000，总是层流；Re＞10000，一般都为湍流；2000＜Re＜10000，过渡状态。若受外界条件影响，如管道直径或方向的改变、外来的轻微振动都易促使过渡状态下的层流变为湍流重要润湿周边长流道截面积水力半径当量直径44当量直径圆截面d矩形截面环形截面d2-d1baab2（七）动量传递现象假定：（1）两层分子交换数相等，有N个分子参与交换；（2）N个分子的总质量为W；则，从流层2转入1中的x方向动量：2Mu从流层1转入2中的x方向动量：1Mu)()(12MudMduuMuuM流层2在x方向净输出动量给流层1：动量由高速区向低速区传递动量通量：单位时间通过单位垂直于y方向面积上传递的动量ddAMud/)([kg·(m/s)/(m2·s)]※层流流体在流向上的动量，沿其垂直方向由高速流层向低速流层传递，导致流层间剪应力τ（内摩擦力）的产生。本质上是分子微观运动的结果，属于分子传递过程。剪应力[N/m2=kg·(m/s2)/(m2)=kg·(m/s)/(m2·s)]※湍流流体在流向上的动量，分子传递+涡流传递。ddAMud/)(2动量、热量与质量传递的类似性P152.1分子传递的通用表达式2.2分子传递的类似性2.3涡流传递的类似性1.分子动量通量分子间动量传递：牛顿粘性定律，设密度为常数：2.1分子传递的通用表达式dyduxdy)uρ(νdy)uρ(ρμτxxd-=d-=※τ：动量通量量纲分析2222Nkgm/skgm/s[][][]mmms动量面积时间33kgm/s[kg/mm/s][]m动量体积u32kgmm[][]mskgsvdy)uρ(νdy)uρ(ρμτxxd-=d-=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。量纲分析结果τ－动量通量－动量浓度梯度ν－动量扩散系数dyud)(动量通量=－动量扩散系数×动量浓度梯度傅立叶定律：()()pppdρctdρctqk=-=-αAρcdydy2.分子热量通量dydtkAq分子间热量传递——热传导高温低温※q/A：热量通量量纲分析2J[]ms热量面积时间qA33kgJJ[].[].[K][]mkgKm