化工传递过程基础第三版

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。
3. 运动粘度 （ν）
流体的动力粘度与密度的比值，称为运动粘度 （ν）
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）
（四）流体平衡微分方程
平衡状态（物理意义）：
Fi 0
压力P
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）
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
压力单位及换算
1atm = 1.013×105Pa = 1.013bar = 1.033kgf·cm-2 = 7.60×102mmHg 压力表示方法
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
FB+ Fs = 0
dFBx dFsx 0
质量力（dFBx）：
dFBx Xdxdydz
表面力（dFsx 静压力产生）：
dFsx
pdydz
(p
p x
dx)dydz
dFBx
dFsx
Xdxdydz
p x
dxdydz
0
x方向微分平衡方程：
p X
x
y方向微分平衡方程：
p Y
y
z方向微分平衡方程：
p Z
z
自己推？
※ 静止流体平衡微分方程（欧拉平衡微分方程）
重要
fB
p
单位体积流体的质量力 静压力梯度
（五）流体静压力学方程
欧拉平衡微分方程
p X
x
p Y
y
p Z
z
பைடு நூலகம்
质量力：X = 0，Y = 0，Z = - g
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
※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）
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
dM
dV
ρ：点密度 dM：微元质量 dV：微元体积
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
化工传递过程基础
绪论
一、化工研究的基本问题？
✓ 过程的平衡和限度 –《化工热力学》
精馏段操作线 平衡线
✓ 过程的速率和实现过程所需要的设备
• 化学反应速率和设备 –《化学反应动力学》和《化学反应工程》
• 物理过程速率和设备 – 《化工传递》和《化工单元操作》
提馏段操作线
图0-1 McCabe-Thiele图
（三）粘性定律和粘度
1. 牛顿粘性定律
重要
dux
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（粘度），流体的一种物性参数，试验测定，查物化手册；
dux ux在y轴方向上的速度梯度； dy
负号“-”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。
➢ 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
※ 流体平衡条件：FB+ Fs = 0 ※ 流体平衡微分方程（欧拉平衡微分方程）
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： x方向平衡条件： x方向作用力：
求解： 1.体积流率定义式: dVs uxdA
？？
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
u x dA
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
※ 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； 重
要
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；
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
m
物理单位制：
u / y
dyn / cm2 cm / s
dyn s cm2
g cm s
P(泊)
cm
特性：是温度、压力的函数； f T , P
dx
ux d
dy
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
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？
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 压力P
p f x, y, z
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