化工传递过程基础

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 (cpt)
dy
——在y方向上的热量浓度梯度，
J
/ m3 m
。
“－”表示热量通量的方向与热量浓度梯度的方向相反，即热量朝着 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
dux d (ux ) d (ux )
dy dy
dy
式中：τ——动量通量（kg·m/s）/（m2·s）；ν ——动量扩散系数，m2/s；
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
d A
dy
式中：jA—A的质量通量，kg/（m2·s）； DAB —A的扩散系数，m2/s；
d (ux )
dy
——在y方向上的动量浓度梯度，kg 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。
d A —A在y方向上的质量浓度梯度， kg / m3
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
q k dt k d (cpt) d (cpt)
dy cp dy
dy
式中：q——热量通量，J/（m2·s）； α ——热量扩散系数，m2/s；
传递r的通量 表d (达u式x：)
dy
qe
H
d (cPt)
dy
jAe
M
d A
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
Baidu Nhomakorabea
q
qe
(
H
)
d (cPt)
dy
jAt
jA
j
e A
(DAB
M
)
d A
dy
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。
第二章 总动量、总热量、总质量衡算
化工传递过程基础
主要参考教材
[1]陈涛，张国亮．化工传递过程基础．北京：化学工业出版社，２００9 [2]王绍亭，陈涛．化工传递过程基础．北京：化学工业出版社，1987 [3]王绍亭．化工传递过程．北京：化学工业出版社，1980 [4]王绍亭，陈涛．动量、热量与质量传递．天津：天津科学技术出版社， 1987
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。
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。
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；
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”。
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提出了涡流