化工传递(第一章)
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化工传递01
1.3 课程特点和要求 课程抽象、枯燥，不要求记忆。 课上认真听讲，理解概念的意义和 公式的推导、应用。 适当练习，学会举一反三。 考试：开卷
传递过程原理(1960- ) 经过对各种单元操作的分析、综合，发现所有 的单元操作均有共同的基本规律，它们离不开 流体的流动(动量传递)、传热和传质这样一些 基本原理。
过滤只是流体流动的一个特例； 蒸发不过是传热的一种形式； 萃取和吸收都包含着质量的传递； 干燥与蒸馏则是传热与传质都重要的操作。
单元操作实质上只不过是传热、传质及流体流 动的特殊情况或特定的结合。对单元操作的任 何进一步研究，最终都是对这几种传递过程的 研究。
单元过程
单元操作
传递过程原理
合成氨 石油炼制 硫酸 食盐….
流体输送 蒸馏 吸收 蒸发….
动量传递 热量传递 质量传递
对化学工程本质的认识
传递过程－单元操作
传递过程 单元操作
流体输送 搅拌 流体流动 （动量传递） 沉降 过滤 离心分离 固体流态化 传热过程 传热 蒸发 结晶 吸收 传质过程 吸附 蒸馏 萃取、浸取 干燥
化工传递过程 Transport Phenomena Momentum, Heat and Mass Transfer
教师：柳来栓 中北大学化工与环境学院 Email:liulaishuan@
1.1 化学工程学科研究方法的发展
单元过程方法(1888-1923) 也称化学工艺学(Chemical Technology)阶段制造的工 程问题。 化工系的主要课程是工业化学课，课中只描述 化工产品制造的操作顺序，没有深入探讨每一 种产品生产的科学原理。
单元操作方法（1923-1960）
20世纪初，人们逐渐认识到各工艺过程中存在着 共性。 美国麻省理工学院化工系主任Little于1915年提出 单元操作的概念。 任何化工过程，无论它规模如何，都可以用一 系列称为单元操作的技术解决：例如粉碎、混 合、加热、煅烧、吸收、冷凝、浸取、沉降、 结晶、过滤、溶解、电解等。 1923年， Walker, Lewis, and McAdams “Principles of Chemical Engineering”
化工传递过程(第三版)第一章PPT课件
思考题
1.传递的方式有哪些？各自的传递条件是什么？ 2.何谓现象方程？并说明表达式中各符号的含义。 3.写出温度的随体导数，并说明其各项的含义？
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
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。
动量传递方向
u1 u2
一、平衡过程与速率过程
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。
t1＞ t2 ＞ t3
热流方向 t1 t2 t3
一、平衡过程与速率过程
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。
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。
一、平衡过程与速率过程
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。
动量守恒定律—牛顿第二定律、热量守恒定律— 热力学第一定律以及质量守恒定律。
对所选过程或物理现象，划定一个确定的衡算范 围，将动量、热量与质量守恒定律应用于该范围， 进行物理量的衡算。
一、守恒定律与衡算方法
对流体流动体系的衡算 Q
w2 w1
W
（a） （b）
（c）
一、守恒定律与衡算方法
化工传递过程基础(第三版)习题答案详解_部分1
+ aA
dM dθ
=0
（1） （2）
又由全组分质量衡算：
得： 上式积分：
w2
− w1
+
dM dθ
=0
dM dθ
= w1
− w2
= 100 − 60 = 40kg/min
M = 40θ + 2000kg
（3） （4） （5）
设搅拌良好，任何瞬时 θ，
aA2 = aA
（6）
将式（3）～式（6）及已知数据代入式（2），得：
θ2 0
=
−
1 100
[ln(100aA
−
0.2)] |
0.01 0.1
ln 40θ2 + 2000 = −0.4ln 100 × 0.01 − 0.2
2000
100 × 0.1 − 0.2
ln 40θ2 + 2000 = ln(9.8)0.4 = ln 2.724
2000
0.8
40θ2 + 2000 = 2.724 2000
说明
本习题解系普通高等教育“十一五”国家级规划教材《化工传递过程基础》（第三版） 中所附习题的解答，共 205 题。各题均有较详尽的解题步骤，供本课程同仁教学辅导参考。
参加解题工作的有天津大学化工学院陈涛（第一、十二章）、张国亮（第二～五章）、张 凤宝（第六～八章）、贾绍义（第九～十一章），由陈涛、张国亮对全书进行统编和整理。
lg p′ = lg133.3 + 6.926 − 1284 T − 54
lg p′ = 9.051 − 1284 T − 54
1-3 黏性流体在圆管内做一维稳态流动，设 r 表示径向、y 表示由管壁指向中心的方向。 已知温度 t 和组分 A 的质量浓度 ρA 的梯度与流速 ux 的梯度方向相同，试用“通量=-扩散系
化工传递过程 第一章 传递过程概论
描述分子动量传递的基本定律
粘性流体：有粘性，流体层间会产生剪切力
y
静
止
两块无限大的平行平板，中间
u-du
dy
u
u0
x
充满流体，上块静止，下块运动， 因粘性的存在，最下层流体必随板 运动，速度uo , 最上层流体也必随 板静止，速度0。
实验证明，当uo不是很大，流体处于层流范围内时， 剪应力（动量通量）与速度梯度成正比，即：
通量=－扩散系数×浓度梯度
① 各过程所传递的物理量均与其相应的强度因素的梯度 成正比，并且都沿着负梯度的方向传递；
② 各式的系数都是物性常数，它们只是状态的函数，与 传递的物理量多少和梯度的大小无关。
（5）.涡流传递的类似性 涡流动量、热量与质量传递：
r d (ux )
dy
( q )e A
H
d (cpt)
dy
“-”表示热通量与温度梯度的方向相反，即热量是由 高温向低温方向传递.
导热系数k 是物质的物理性质。
固体和液体：k与压力关系不大
气体：
k与压力有关
三、费克定律（Fick’s law)
jA
DAB
dCA dy
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的质量通量，kg/ (m2 ·s), DAB— 组分A在B中的扩散系数 “-”表示质量通量的方向与浓度梯度的方向相反 DAB —与组分的种类、压力、温度、组成等因素有关。
范围：牛顿型流体：遵循牛顿粘性定律的流体，如：所
有的气体和大多数低分子量的液体。 非牛顿型流体（爬杆效应）：不满足牛顿粘性定
律的流体，如：血液和高分子流体（沥青）。
二、傅立叶定律（fourie’s law)
化工传递过程讲义
《化工传递过程》讲稿【讲稿】第一章 传递过程概论（4学时）传递现象是自然界和工程技术中普遍存在的现象。
传递过程：物理量（动量、热量、质量）朝平衡转移的过程即为传递过程。
平衡状态：物系内具有强度性质的物理量如速度、温度、组分浓度等不存在梯度。
*动量、热量、质量传递三者有许多相似之处。
*传递过程的研究,常采用衡算方法。
第一节 流体流动导论流体：气体和液体的统称。
微元体:任意微小体积。
流体质点：当考察的微元体积增加至相对于分子的几何尺寸足够大，而相对于容器尺寸充分小的某一特征尺寸时，便可不计分子随机运动进出此特征体积分子数变化所导致的质量变化，此一特征体积中所有流体分子的集合称为流体质点。
可将流体视为有无数质点所组成的连续介质一、静止流体的特性（一）流体的密度流体的密度：单位体积流体所具有的质量。
对于均质流体 对于不均质流体点密度dVdM d =ρ *流体的点密度是空间的连续函数。
*流体的密度随温度和压力变化。
流体的比体积：单位流体质量的体积。
MV =υ （二）可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体：密度随空间位置和时间变化的流体，称为可压缩流体。
(气体)不可压缩流体：密度不随空间位置和时间变化的流体，称为不可压缩流体。
(液体)（三）流体的压力流体的压力（压强，静压力）：垂直作用于流体单位面积上的力。
A P p =（四）流体平衡微分方程1.质量力(重力)单位流体质量所受到的质量力用B f 表示。
在直角坐标z y x ,, 三个轴上的投影分量分别以 X ﹑Y ﹑Z 表示。
B F V M =ρ2.表面力:表面力是流体微元的表面与其临近流体作用所产生的力用Fs 表示。
在静止流体中，所受外力为重力和静压力，这两种力互相平衡，利用平衡条件可导出流体平衡微分方程。
916:16化工传递过程基础黄山学院化学系首先分析x 方向的作用力，其质量力为由静压力产生的表面力为XdxdydzdF Bx ρ=dydz dx x p p pdydz dF sx ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+-=12(五)流体静压力学方程流体静压力学方程可由流体平衡微分方程导出。
第一章化工传递
2.1.1 分子传递通量的通用表达式
• 1. 质量通量
在传质过程中，因浓度差 浓度差引起的分子扩散。 浓度差 可由费克定律描述： 质量通量=－扩散系数×质量浓度梯度
费克定律（Fick’s Law）
j A = − DAB d ρA dy
• 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 A B
平衡过程和传递过程
• 传递过程的速率可以用通式表示如下
1.2 流体的连续性
• 微观： 传递过程离不开物质 物质是由一些离散的，不断做杂乱运动且互相碰 撞的分子组成 所以：物质的物理量在时空上是不连续的
• 宏观 1）物理量是宏观的； 压力、温度、浓度等 2）绝大多数工程涉及的是流体宏观特征 因为：分子间隙（平均自由程）与 宏观设备或管道尺寸相比，则可忽略。
DF ∂F ∂F ∂F ∂F = + ux + uy + uz Dt ∂t ∂x ∂y ∂z dx dy dz ux = ; u y = ; uz = dt dt dt
• 第一项称为局部导数；后三项为对流导数
不同导数
不同导数
不同导数
随体导数
1.7 其他
• 理想流体 • 非牛顿流体 • 流动型态
• 1.动量传递过程：在流体中，若两个相邻 的流体层速度不同，则发生由高速层向 低速层的动量传递 • 两个相邻流体层的动量传递
平衡过程和传递过程
• 2.热量传递过程： • 物体各部分存在温度差，热量由高温 区向低温区传递
平衡过程和传递过程
• 3. 质量传递：当体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 学势区域的传递 • • 化学势的差异可以由浓度、温度、压 力或电场力所引起。常见的是浓度差引 起质量传递过程，即混合物种某个组分 由高浓度向低浓度曲扩散
化工传递过程基础全部
描述分子导热的基本定律
q
dt
=-k
A dy
q/A －导热通量；
k －介质的导热系数；
dt dy
－温度梯度。
t1＞ t2＞ t3
热流方向
t1 t2 t3
二、扩散传递与对流传递
费克定律
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
=
-DAB
dρA dy
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；
第一章 传递过程概论
传递现象普遍存在于自然界和工程领域， 三种传递过程有许多共同规律。
本章介绍与课程有关的基本概念。
第一章 传递过程概论
1.1 传递过程的分类
一、平衡过程与速率过程 二、扩散传递与对流传递
一、平衡过程与速率过程
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
ρ dy
dy
一、分子传递的通用表达式
量纲分析
[] ]=[ m
N k=g [ 22 2m/s kg m/s
2
动量
m ]=[ m s]=面积时间
==[]=[] kg m m 2
m
[]
u =[kg/m 3m/s]=[ kg3m/]s=动 体量 积
3
[v] m s kg
二 、分子传递的类似性
动量通量=－动量扩散系数×动量浓度梯度 热量通量=－热量扩散系数×热量浓度梯度 质量通量=－质量扩散系数×质量浓度梯度
通量=－扩散系数×浓度梯度
, , DAB 的量纲相同，扩散系数m2/s
“－”表示通量的方向与梯度的方向相反。
化工传递过程基础习题.doc
第一章传质过程基础一、选择与填空（30分，每空2分）1.传质通量与相对应。
A Q/q ；B C/_4 .C C.jft .D C A2.传质通量j,\与相对应。
A.C M（"・*）：B.5“：C.C/村；D. P^A■：3.传质通量七"与相对应。
A C A（U A-U M）；B.C^A. c. %*； D.力％4.等分了反方向扩散通常发生在单元操作过程中：-•组分通过另-•停滞组分的扩散通常发生在单元操作过程中。
5.描述动量和质量传递类似律的一层模型是:两层模型是;三层模型是。
I.在根管子中存在有由CHA组分A）和Hc（组分B）组成的气体混合物,压力为1.013x105Pa、温度为298K。
已知管内的CH4通过停滞的He进行稳态维扩散，在相距0.02m的两端,CH4的分压分别为= 6 7 8 08x1 °4 Pa及2.03x10* pa,管内的总压维持恒定。
扩散条件下，CH,在He中的扩散系数为= 675x10-5 m2/s。
试求算CH4的传质通量、。
2.298 K的水以0.5 m/s的主体流速流过内径为25mm的荼管，2知荼溶于水时的施密特数衣为2330,试分别用雷诺、普兰德一泰勒、卡门和柯尔本类比关系式求算充分发展后的对流传质系数。
三、推导（30分，每题15分）1.对于A、B二组元物系，试采用欧拉（Euler）方法，推导沿x、y方向进行二维分了传二、计算（40分，每20分）质时的传质微分方程。
设系统内发生化学反应，组分A的质量生成速率为〜kg/（m3・s）2.试利用传质速率方程和扩散通量方程，将稣转换成片。
6 通常，气体的扩散系数与有关，液体的扩散系数与有关。
7 '表示对流传质系数，取表示对流传质系数，它们之间的关系是o8 对流传质系数与与推动力相对应。
A."B.C.D.矶。
9.推动力与对流传质系数相对应。
A.知；B.匕；C.电；D.。
化工传递过程基础复习题(2009)1.何为“连续介质假定”，这一假定的要点和重要意义是什么？试解释联续性方程的物理意义。
化工原理小结(动量传递)
⑦流体流动类型的判据——雷诺数 Re; Re = 流体流动类型的判据——雷诺数 —— 层流： 层流：Re≤2000;u=0.5umax； ∆p =
duρ
µ
；λ =
(1)非圆形管一定用当量直径计算 Re。
32 µlu d2
湍流：Re≥4000；u=0.82umax； λ = f (Re,
ε
d
64 Re
Ne
p a − pV − ∆h − Σh f ( 0→1) [m] ρg
② Hg = Hs −
u2 − Σh f ( 0→1) [m] 2g
pV 1000 ′ H S = H S − ( H a − 10) − − 0.24 [ m] 3 9.81 × 10 ρ
（4）注意区别以下概念：离心泵的扬程 H[m]、液体的升扬高度ΔZ[m]、离心泵 注意区别以下概念： 的安装高度 Hg[m]；风机风压 Pa(全风压、静风压、动风压)。 离心泵的扬程 H:柏努利方程中外加有效压头（能量）项： H:柏努利方程中外加有效压头（能量） 柏努利方程中外加有效压头
⑥Ha：当地大气压 [m]，以 10m 水柱 计。
H = ∆Z +
∆p ∆u 2 + + ΣH f [m] ρg 2 g
液体升扬高度： 两液面的垂直距离， 即将液体由液面 1 送到液面 2 （高位槽距离） 液体升扬高度： ） Hg： 泵的安装高度 Hg：泵的吸入口到储槽的垂直高度，此值可以为负值。 离心泵的运行与调节： ；转速调节。 离心泵的运行与调节：阀门调节（简单易行） 工作点：离心泵的特性曲线与管路特性曲线交点。 工作点：离心泵的特性曲线与管路特性曲线交点。 管路特性曲线； 管路特性曲线； 离心泵的并联： 离心泵的并联：提高输送液体流量； 离心泵的串联：提高输送压头，即提高能量。 离心泵的串联： 风机风压： 风机风压：风机提供给气体的能量表示方法。风机要考虑动风压，而离心泵不考 虑动压头。 （离心泵与通风机的区别） 往复泵与离心泵的主要区别： 往复泵与离心泵的主要区别：离心泵无自吸能力，往复泵有自吸能力；离心泵的 Q 与 H 成反比，往复泵无此关系；离心泵可以用阀门调节，往复泵 旁路调节。 容积式泵类:往复泵、计量泵
化工传递过程 —第一章 传递过程概论
d dθ
∫∫ u ( ρu)conαdA
A
∫∫∫ ρudV
V
＋ ∫∫ u ( ρu)conαdA
A
d dθ
∫∫∫ ρudV
V
在x、y、z三方向的分量
• ∑Fx= ∫∫
A
d u x ( ρu )conαdA ＋ dθ d u y ( ρu )conαdA ＋ dθ d u z ( ρu )conαdA ＋dθ
A
①为正时，有质量的净输出； ②为负时，有质量的净输入； ③为0时，无质量输入和输出。
简单情况
∫∫ ρuconα .dA＝ A
∫∫ ρucon α .dA+
A1 A1 A2
∫∫ ρuconα .dA
A2
= - ∫∫ ρudA + ∫∫ ρudA = ρ2ub2A2 — ρ1ub1A 1 ρ2ub2A2 — ρ1ub1A1 ＋
动量、热量质量传递相似
• 形式相似：
du x τ = −µ dy
q dt = −k A dy
j A = − DAB
dρ A dy
– 各过程所传递的物理量与其相应的强度梯度成正比； – 沿负梯度（降度）的方向传递； – 各式的系数（µ、α、DAB）只是状态函数，与传递 的物理量或梯度无关（传递性质和速率的物性常 数）。
∵ H=U＋pv ∴
＝ q-Ws＊
dEt u2 ∫∫ ρuconα .( H + 2 + gz +)dA + dθ A
＝ q-Ws＊
总动量衡算
• 动量守恒：系统的动量变化速率等于作 用在系统上，方向为净力方向的合外力 • 牛顿第二定律： F=ma=m*(u2-u1)/∆t • 动量 mu
∫∫ u ( ρu)conαdA
A
∫∫∫ ρudV
V
＋ ∫∫ u ( ρu)conαdA
A
d dθ
∫∫∫ ρudV
V
在x、y、z三方向的分量
• ∑Fx= ∫∫
A
d u x ( ρu )conαdA ＋ dθ d u y ( ρu )conαdA ＋ dθ d u z ( ρu )conαdA ＋dθ
A
①为正时，有质量的净输出； ②为负时，有质量的净输入； ③为0时，无质量输入和输出。
简单情况
∫∫ ρuconα .dA＝ A
∫∫ ρucon α .dA+
A1 A1 A2
∫∫ ρuconα .dA
A2
= - ∫∫ ρudA + ∫∫ ρudA = ρ2ub2A2 — ρ1ub1A 1 ρ2ub2A2 — ρ1ub1A1 ＋
动量、热量质量传递相似
• 形式相似：
du x τ = −µ dy
q dt = −k A dy
j A = − DAB
dρ A dy
– 各过程所传递的物理量与其相应的强度梯度成正比； – 沿负梯度（降度）的方向传递； – 各式的系数（µ、α、DAB）只是状态函数，与传递 的物理量或梯度无关（传递性质和速率的物性常 数）。
∵ H=U＋pv ∴
＝ q-Ws＊
dEt u2 ∫∫ ρuconα .( H + 2 + gz +)dA + dθ A
＝ q-Ws＊
总动量衡算
• 动量守恒：系统的动量变化速率等于作 用在系统上，方向为净力方向的合外力 • 牛顿第二定律： F=ma=m*(u2-u1)/∆t • 动量 mu
化工传递过程课件
详细描述
制药工程涉及药物合成、分离纯化、 制剂制备等技术，旨在开发安全、有 效、质量可控的药物。
04 化工传递过程的优化与控 制
优化方法与策略
数学模型法
建立传递过程的数学模型，通过求解数学模型得到最优解，实现 过程的优化。
实验研究法
通过实验研究传递过程中的各种参数和操作条件，找出最优的参数 和操作条件。
详细描述
分离工程涉及蒸馏、萃取、吸附、膜分离等多种 分离技术，旨在实现高效、低能耗的物质分离。
具体应用
广泛应用于石油化工、精细化工、食品工业等领 域，如石油炼制、合成橡胶、味精生产等过程。
生物反应工程
总结词
生物反应工程是利用生物催化剂 进行物质转化的过程，主要研究 生物催化剂的活性、选择性以及
反应条件。
详细描述
生物反应工程涉及酶动力学、微生 物培养和发酵技术等方面，旨在实 现高效生物转化和产物分离。
具体应用
广泛应用于生物医药、食品添加剂、 燃料乙醇等领域，如抗生素发酵、 维生素C合成等过程。
制药工程
总结词
具体应用
制药工程是研究药物制备和生产过程 的学科，主要关注药物分子传递和分 离技术。
广泛应用于新药研发、药物生产、药物 质量控制等领域，如抗生素、抗病毒药 物、肿瘤药物的研发和生产过程。
智能化技术
智能传感器与控制系统
采用先进的传感器和智能控制系统，实时监测和调控化工传递过程，提高生产效 率和产品质量。
人工智能与大数据技术
利用人工智能和大数据技术对化工传递过程进行优化和预测，实现智能化生产和 管理。
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流体动力学研究流体运动的基本 规律，包括流体静力学、一维流
化工原理总结(轻化专业)动量传递及应用(1)
Ne We ws HgQ[W J / s; kW kJ / s]
N Ne
Ne N （3）液体的ρ、μ对离心泵的H、Q、N、Ne、η的影响:（要讨论）
⑩离心泵的允许安装高度：两种方法计算安装高度的方法
Hg
pa pV （NPHS） H f ( 01) [m] g
ห้องสมุดไป่ตู้
伯努利方程计算。
⑦伯努力方程的应用（重点） Σle：所有局部阻力的当量长度； ⅰ管路中流速及流量的确定； ζ ：阻力系数；特殊： ζ 出口=1.0；ζ 人口=0.5； ⅱ确定容器间的相对位置(高位槽)； u:管内流体的平均流速；或按细管内的流速计算。 实际流体的阻力损失(Hf、hf)的计算重要。 ⅲ确定输送机械设备的功率等。
单位重量流体所具有的 机械能，可以将“自己” 从基准面升举到的高 度。用压头表示能量。
①若无外加能量(功)We=0;忽略阻力损失Σhf=0则为理想流体伯努利方程：
p1
u2 Zg E[kJ / kg ] 2 p
E为流体在某截面流体本身所具有的能量，且各种能量可相互转化。
说明：流体在任意截面的总机械能不变，但各种形式的能量可以相互转化。
(NPHS)τ：允许气蚀余量， 查表，不用校正。
Hʹs：实验条件下的允许吸上真空度， 查表。 Hs：操作条件下的允许真空度； pV 1000 • H S H S ( H a 10) ( 0.24) [m] 需要校正。 3 9 . 81 10 Ha：当地大气压[m]，以10m水柱 计算的理论安装高度值，再降低0.5m更安全。 表示。
R：指示剂度数，ρA指示液密度, ρB被测 液密度； 为使读数R值增大，应将ρA、 ρC两种指示 液密度值相差较小（或密度接近）。
化工传递过程基础(第三版)
二、本课程的学习内容？
物理过程的速率和传递机理的探讨
• 动量传递
• 热量传递
• 质量传递
推动力：速度差 推动力：温度差 推动力：浓度差
第一章 传递过程概论
第一节 流体流动导论
※ 流体：气体和液体的统称
一、静止流体的特性 （一）流体的密度（ρ）
均质流体：
※ 非均质流体： f x, y, z
※ 动量通量
r d(ux )
dy
※ 热量通量
q e A
H d
c pt
dy
※ 质量通量
j
e A
M
d A
dy
动量、热量和质量传递的通量表达式
仅有分子运动 以涡流运动为主的 兼有分子运动和涡流运
的传递过程
传递过程
动的传递过程
动量通量
d(ux )
（一）流速与流率
流速：流体流动的速度，表示为 u
u f (x, y, z, )
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）
dx
dy
ux d uy d
dz
uz d
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
※ 牛顿粘性定律
dux
dy
2. 分子间热量传递 —— 热传导
※ 傅立叶定律
q k dt
A
dy
高温
低温
3. 分子间质量传递 ——分子扩散
※ 费克定律
jA
DAB
d A
化工传递过程基础(第三版)
(2)固体的应变与应力的作用时间无关，只要不超过弹性 极限，作用力不变时，固体的变形也就不再变化，当外力去除 后，形变也就消失；对于流体，只要有应力作用，它将连续 变形(流动)，当应力去除后，它也不再能恢复到原来的形状。
1.1流体的定义和特征
液体和气体虽都属于流体，但两者之间也有所不同。液体的 分子间距和分子的有效直径相当。当对液体加压时，只要分子 间距稍有缩小，分子间的排斥力就会增大，以抵抗外压力。所 以液体的分子间距很难缩小，即液体很难被压缩。以致一定质 量的液体具有一定的体积。液体的形状取决于容器的形状，并 且由于分子间吸引力的作用，液体有力求自己表面积收缩到最 小的特性。所以，当容器的容积大于液体的体积时，液体不能 充满容器，故在重力的作用下，液体总保持一个自由表面，通 常称为水平面。
1.4 与其他课程之间的联系 • 流体力学是继《高等数学》、《大学物理》《理论
力学》之后开设，同时又成为学习许多后续专业课 程计算流体力学和从事专业研究的必备基础。
• 高等数学要求复习掌握：微分（偏导数、导数）、 积分（曲面积分、定积分、曲线积分）、多元函数 的泰勒公式、势函数、微分方程。
• 理论力学要求复习掌握：质量守恒定律、能量守恒 定律、动量定律。
• 两个相邻流体层的动量传递
平衡过程和传递过程
2.热量传递过程： • 物体各部分存在温度差，热量由高温区向
低温区传递
平衡过程和传递过程
3. 质量传递：当体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 域的传递
• 化学势的差异可以由浓度、温度、压力或 电场力所引起。常见的是浓度差引起质量 传递过程，即混合物种某个组分由高浓度 向低浓度区扩散
平衡过程和传递过程
• 传递过程：物理量向平衡转移 • 平衡状态：强度性质的物理量不存在梯度
1.1流体的定义和特征
液体和气体虽都属于流体，但两者之间也有所不同。液体的 分子间距和分子的有效直径相当。当对液体加压时，只要分子 间距稍有缩小，分子间的排斥力就会增大，以抵抗外压力。所 以液体的分子间距很难缩小，即液体很难被压缩。以致一定质 量的液体具有一定的体积。液体的形状取决于容器的形状，并 且由于分子间吸引力的作用，液体有力求自己表面积收缩到最 小的特性。所以，当容器的容积大于液体的体积时，液体不能 充满容器，故在重力的作用下，液体总保持一个自由表面，通 常称为水平面。
1.4 与其他课程之间的联系 • 流体力学是继《高等数学》、《大学物理》《理论
力学》之后开设，同时又成为学习许多后续专业课 程计算流体力学和从事专业研究的必备基础。
• 高等数学要求复习掌握：微分（偏导数、导数）、 积分（曲面积分、定积分、曲线积分）、多元函数 的泰勒公式、势函数、微分方程。
• 理论力学要求复习掌握：质量守恒定律、能量守恒 定律、动量定律。
• 两个相邻流体层的动量传递
平衡过程和传递过程
2.热量传递过程： • 物体各部分存在温度差，热量由高温区向
低温区传递
平衡过程和传递过程
3. 质量传递：当体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 域的传递
• 化学势的差异可以由浓度、温度、压力或 电场力所引起。常见的是浓度差引起质量 传递过程，即混合物种某个组分由高浓度 向低浓度区扩散
平衡过程和传递过程
• 传递过程：物理量向平衡转移 • 平衡状态：强度性质的物理量不存在梯度
传递过程基础总结
cp k
Pr 同时存在动量、热量传递 。
DAB
DAB
k c p DAB
Sc 同时存在动量、质量传递 。 Le 同时存在热量、质量传递 。
DAB
若三个数均等于 1，则表示同时进行的两种传递过程可以类比。 3、传递过程、分子传递和涡流传递概念。 传递过程——质量、能量、动量等具有强度性质的物理量可由高强度向低强
化工传递过程基础总结
化研 1205 班
宁鹏
4、势函数的定义式、势函数存在的判据。 ①定义：对于不可压缩流体的平面二维流动，若存在速度势 ( x, y ) ，且满足
u x u y x y
，则 ( x, y ) 称为势函数。
②存在的判据：理想流体做无旋运动，或有势运动时，势函数存在判断旋度 u u x y 。 为 0 的方法：二维 y x
因为 y 0时，u x umax ，所以 umax
y 2 从而得出： u x umax 1 y 0
1 p 2 y0 2 x
第 4 页 共 28 页
化工传递过程基础总结
化研 1205 班
宁鹏
若在 x 方向取单位宽度的流通截面 A 2 y0 1 ，则通过该界面的体积流率 Vs 为： Vs u x dy 2 u x dy
1、什么是欧拉研究方法？ 在流场内某一固定位置， 找一固定体积的流体微元，但该微元的质量可随时 间改变， 观察者分析该流体微元的流动状态，并由此获得整个流场流体运动的规 律。 特点：流体微元的位置和体积不随时间变化，而质量随时间变化。 2、什么是拉格朗日研究方法？ 在流场内选择一固定质量的流体微元，观察者追随流体微元一起运动，并研 究其运动规律，据此获得整个流场内流体的运动规律。 特点：流体微元的质量不随时间变化，而而位置和体积随时间改变。 3、随体导数、全导数、偏导数的定义式和物理意义。 以流体密度ρ为例： 定义式： 偏导数： 全导数：
《化工传质与分离过程》第一章传质过程基础
主体
组分A的主体流动质量通量
流动 通量
Au
A[
1
(
Au
A
BuB
)]
aA
(nA
nB
)
组分B的主体流动质量通量
BuaB (n A nB )
三、传质的速度与通量
组分A的主体流动摩尔通量
cAum
cA[
1 C
(cAuA
cBuB )]
xA(N
A
NB
)
组分B的主体流动摩尔通量
cBum xB (N A NB )
主体 NxA um
流动 NxB
NA NB 0
动现象。
示例：用水吸收空气 中的氨
JB
NA
J
A
Nx
A
NB
J
B
Nx
B
0
J Nx
B
B
第一章 传质过程基础
1.1 质量传递概论与传质微分方程 1.1.1 质量传递概论 1.1.2 传质微分方程
一、传质微分方程的推导
1.质量守恒定律表达式 采用欧拉方法推导
混合物的主体流动速度即为平均速度
u＝ uf （um＝ uf ）
三、传质的速度与通量
组分A的扩散速度
udA = uA－ u udA = uA－ um
组分B的扩散速度
udB = uB－ u udB = uB－ um
质量基准 摩尔基准
质量基准 摩尔基准
三、传质的速度与通量
组分A的扩散质量通量
j A A (u A u)
第一章 传质过程基础
1.1 质量传递概论与传质微分方程 1.1.1 质量传递概论
一、混合物组成的表示方法 二、质量传递的基本方式 三、传质的速度与通量 1. 传质速率与传质通量 2. 传质速度的表示方法
化工传递(第一章)
※ 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； ※ 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。
SI制单位：m2/s，在物理单位制中单位：cm2/s，称为斯托克斯，以St表示
（四）牛顿型流体和非牛顿型流体
P A
图1-4 非均匀受力图
p Leabharlann dP dAp: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 1atm = 1.013×105Pa = 1.013bar = 1.033kgf· -2 = 7.60×102mmHg cm 压力表示方法 绝对压力和相对压力（表压力和真空度）
数学特征：
0
e.g u f ( x, y, z ) 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；
（三）粘性定律和粘度
1. 牛顿粘性定律
du x dy
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；
图1-1 均质水溶液 图1-2 非均质溶液
M 密度： V
ρ：点密度
dM：微元质量
dV：微元体积
dM dV
流体的比体积（质量体积υ）：
V M
[m3/kg]
1
（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； 重要 ※ 通常液体可视为不可压缩流体
动力粘度（简称粘度），流体的一种物性参数，试验测定，查物化手册；
SI制单位：m2/s，在物理单位制中单位：cm2/s，称为斯托克斯，以St表示
（四）牛顿型流体和非牛顿型流体
P A
图1-4 非均匀受力图
p Leabharlann dP dAp: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 1atm = 1.013×105Pa = 1.013bar = 1.033kgf· -2 = 7.60×102mmHg cm 压力表示方法 绝对压力和相对压力（表压力和真空度）
数学特征：
0
e.g u f ( x, y, z ) 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；
（三）粘性定律和粘度
1. 牛顿粘性定律
du x dy
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；
图1-1 均质水溶液 图1-2 非均质溶液
M 密度： V
ρ：点密度
dM：微元质量
dV：微元体积
dM dV
流体的比体积（质量体积υ）：
V M
[m3/kg]
1
（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； 重要 ※ 通常液体可视为不可压缩流体
动力粘度（简称粘度），流体的一种物性参数，试验测定，查物化手册；
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※ u和d称为流体流动的特征速度和特征尺寸
当量直径
4
流道截面积 润湿周边长
当量直径
圆截面 d
矩形截面
2ab ab
环形截面 d2 - d1
※ 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
第一章 传递过程概论
第二节 流体流动导论
※ 流体：气体和液体的统称
一、静止流体的特性
（一）流体的密度（ρ）
均质流体：
※ 非均质流体： f x,y ,z
图1-1 均质水溶液
密度： M
V
方法：取一微元，设微元 质量为dM，体积为dV
图1-2 非均质溶液 ρ：点密度 dM：微元质量 dV：微元体积
欧拉平衡微分方程
p x
ห้องสมุดไป่ตู้
X
p Y
y
质量力：X = 0，Y = 0，Z = - g
p Z
z
p 0 x
p 0 y
p dp g
z dz
p
h
积分得： dp g dz
p0
0
流体静力学方程
p p0 gh
h p p0
g
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：
FB+ Fs = 0
x方向平衡条件： dFBx dFsx 0
x方向作用力：
质量力（dFBx）： dFBx Xdxdydz
F 表面力（dFsx 静压力产生）： d sx
pdydz
(p
p x
dx )dydz
dFBx
dFsx
2.体积流率积分: 3.质量流率（w）:
Vs uxdA A
w Vs
主体平均流速（ub）: 截面上各点流速的平均值
ub
Vs A
1 A
A
uxdA
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）
G
w A
Vs
A
ub
[kg/(m2s)]
（二）稳态流动和不稳态流动
dM dV
流体的比体积（质量体积υ）： V
M
1
[m3/kg]
（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； 常数
重要
※ 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； f x,y ,z,
※ 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。
（三）流体的压力
流体表面均匀受力 压力P
p P A
图1-3 均匀受力图
※ 流体表面非均匀受力 p f x, y, z
压力P
p
dP dA
p:点压力,dP:垂直作用在微元 图1-4 非均匀受力图 体表面的力,dA:微元体表面积
过渡流态：随着水流速的逐渐提高，当达到某一数值时，细状线的有色液体开始出 现不规则的波浪型。图b
湍流(紊流 turbulent flow)：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。
2. 雷诺数（Re）
Re du
重要 物理意义：作用在流体上的惯性力和粘性力的比值
uz
dz d
[m/s]
流率：单位时间内流体通过流动截面的量
※ 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？
求解： 1.体积流率定义式: dVs uxdA
（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M；
则，从流层2转入1中的x方向动量： Mu2
从流层1转入2中的x方向动量： Mu1
流层2在x方向净输出动量给流层1：
M (u2 u1) Mu Mdu d(Mu)
动量由高速区 向低速区传递
1. 牛顿粘性定律
du x dy
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（简称粘度），流体的一种物性参数，试验测定，查物化手册；
du x dy
ux在y轴方向上的速度梯度；
负号“-”
表示当y增加时，ux减少，速度梯度 可将负号“-”去掉。
二、分子传递的基本定律
牛顿粘性定律
dux
dy
描述分子动量传递的基本定律
－作用在与y方向相垂直的单位面积上的力； －比例系数，称为流体的粘度；
dux －速度梯度。
dy
二、分子传递的基本定律
傅里叶定律 描述分子导热的基本定律
q = -k dt A dy
q A －导热通量；
k －介质的导热系数；
cm/s
dyn s cm2
g cm s
P(泊)
cm
特性：是温度、压力的函数； f T, P
1P = 100cP
※ 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；
※ 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。
※ 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；
数学特征：
0
e.g u f (x, y, z) 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；
（三）粘性定律和粘度
※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 u f (x, y, z, )
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）
ux
dx d
uy
dy d
SI制单位：m2/s，在物理单位制中单位：cm2/s，称为斯托克斯，以St表示
（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；
-
dux dy
※ 所有气体和大多数低分子量的液体，如水、空气等
非牛顿型流体：不遵循牛顿粘性定律的流体；
某些高分子溶液、油漆、血液等
（五）粘性流体和理想流体
m2 s
动量 面积·时间
-动量通量
kg m3 m s kg
m2 s
-动量扩散系数
ux y
kg m/s m3 m
动量 体积·长度
d
( u dy
)
-动量浓度梯度
（动量通量）= —（动量扩散系数）x （动量浓度梯度）
三、动量通量、热量通量与质量通量的普遍表达式
化工传递
第一章 传递过程概论
第一章 传递过程概论
第一节 平衡过程和传递过程
平衡状态：物系内具有强度性质的物理量如温度、组分浓 度等不存在梯度。
实际上，大量物理、化学现象同时存在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。
传递过程：物理量向平衡状态转移的过程。
物理量： c, T, v… 传递的物理量：质量、能量、动量和电量等
t1＞ t2 ＞ t3
动量传递过程： 1 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。
传递过程的速率可以用通式表示如下：
速率 = 推动力 阻力
本课程主要讨论动量、热量与质量传递过程的 速率。
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
d(Mu) /dA d
[kg·(m/s)/(m2·s)]
剪应力
[N/m2 = kg·(m/s2)/(m2)= kg·(m/s)/(m2·s)]
[ ] [d(Mu) /dA d ]
※ 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。
du x dy
为负值。当其为正值“+”时，
2. 动力粘度 （μ）
dux dy
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
SI单位制： u
/
y
N/m2 m/s
N s m2
Pa s
物理单位制：
u
/y
m dyn/cm2
着负梯度（降度）的方向传递； 2、各式中的系数只是状态函数，与传递的物理量及梯度无关。
三、动量通量、热量通量与质量通量的普遍表达式
动量通量
假设为不可压缩流体，密度为常数
d(ux ) d(ux )
dy
dy
作量纲分析