传递过程原理汇总

2020/6/21
18
绪论
4、学习要点
（1）转变思维方式，树立工程观点； （2）掌握基本概念，熟悉数学模型法； （3）重点学习“方法”；看淡烦琐推导； （4）重视学习过程——预习、笔记、作业。
2020/6/21
19
第一章 分子传递现象
1.1 静态过程和动态过程—平衡和速率
宏观上，物体的运动状态只有两种，即： 静态和动态。
动量传递过程的特征变量是流速： 流速 = 动量 / 单位质量。
2020/6/21
28
概论
▲速度分布
江河里的水流，中间快，岸边慢，甚至为 零，这种现象说明，沿江截面，流速有某种分 布。流体在管道和设备中流动时，沿径向截面 上各点的流速也不同，并存在一定的规律，此 即速度分布。
2020/6/21
29
概论
2020/6/21
5
传递现象导论
教材：
《传递现象导论》（第二版） 戴干策等著
化学工业出版社，2008年。
参考书：
• 《化工传递过程基础》，陈 涛、张国亮著，化学工 业出版社，2002年。
• 《动量热量与质量传递》，王绍亭 、陈涛著天津科 学技术出版社，1986年。
• 《传递现象相似》，夏光榕等，中国石化出版社， 1997年。
• 任何传递过程的速率均可写成： 速率 = 推动力 / 阻力
2020/6/21
25
概论
1.2 传递过程的基本变量和基本概念
1、质点与连续性假定 质点（微团）——含大量分子的流体微团
分子自由程<< 质点尺寸<< 设备尺寸 连续性假定——流体是由大量质点组成的、
彼此没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。
氯乙烯 反应器
水 碱液
放空
水洗塔
碱洗塔
（吸收） （吸收）
冷凝器
精馏塔
（换热） （精馏）
成品
旋风分离 （沉降）
干燥器 （干燥）
热风
离心机 （过滤）
水
冷却器 （换热）
聚氯乙烯 聚合釜
2020/6/21
8
绪论
合成氨流程图
热水
半水煤气 CO脱硫
饱和
（吸收） （吸收）
CO 变换
H2
热交换器
贫液 加水
水洗 （吸收）
传递现象导论
Introduction to Transport Phenomena
2020/6/21
1
传递现象导论
教学安排： • 32学时（1-8周），2学分，考试课程。
– 星期二：7-8节 – 星期五：3-4节
• 学习章节 1、绪论、第一章 分子传递现象（8学时） 2、第二章 有限控制体分析（2学时 ） 3、第三章 动量传递（12学时） 4、第四章 能量传递（6学时） 5、第五章 质量传递（4学时）
2020/6/21
6
绪论
1、化工生产过程
什么是化工生产？ 化工生产就是人们利用
原料（矿物、植物、空
气和水等）经过化学加
工，以生产人们所需的
各种产品的一门产业。
化工生产过程（或技术）——化学工艺
(Chemical Technology)。
2020/6/21
7
绪论
聚氯乙烯流程图
C2H2 Cl2
乙炔、氯 混合器
概论
• 平均流速与质量流率W、体积流率 V 的关系：
W =ρV =ρUA G = W/A =ρU G 称做质量流速（质量通量）。单位 [kg/m2s]
2020/6/21
33
概论
研究速度分布的意义： （1）是研究热量传递、质量传递、反应工 程的基础；
（2）依据其规律可在工程上指导过程提高
效率，促使设备中流动流体分布均匀；
铜液
铜洗 （吸收）
加氨
氢氮气 氨洗 压缩机 （吸收）
循环机
氨合成塔
2020/6/21
氨分离器 （换热）
水冷 （换热）
合成氨
9
绪论
任何化工生产过程中都包含两大类过程： 化学反应过程和物理转化过程。
对任何化工生产过程，不管其工艺如何千 差万别，它们都有一个共性——
在很多相同的设备中进行着原理相同的物理过 程。
2020/6/21
14
绪论
• 反应工程（reaction Engineering ） 各 种各样的化学反应也可归纳为数不多的几种 类型，从而形成了反应工程这个学科，以研 究化学反应的规律，从而探讨化学反应器的 设计方法和操作应用等。
2020/6/21
15
绪论
3. 传递过程
• 传递过程是单元操作的基础。实际上三 种传递过程在自然界无处不在，例如：用洗 衣机洗衣服、电扇降温、暖气取暖、泡茶等 等日常活动都会受传递过程规律支配。
2020/6/21
40
概论
研究浓度分布的意义在于： （1）计算传递速率的基础。 （2）其分布规律是确定传质过程工艺条件 的依据。
2020/6/21
41
概论
5、传递通量：单位时间单位面积上传递 的特征量。通量是表示传递速率的物理量。
• 动量通量：
τ = 动量m u /（单位时间t ·单位面积A ） ［N / m2］
2020/6/21
17
绪论
• 传递过程研究中用的最多的是半理论半经 验法。经验法在工程上应用广泛。而纯理论法 只能用来解决一些很简单的传递现象。
▲ 传递过程所回答的基本问题： • （1）阐述“三传”基本理论； • （2）定量描述“三传”现象的基本方法 （其
基础为：质量、能量、动量守恒）； • （3）“三传”理论在工业上的典型应用。
2020/6/21
23
概论
动力学分为化学动力学和传递动力学。化 学动力学探讨化学变化的速率及各种因素对化 学反应速率的影响；传递动力学探讨物理变化 的速率及有关影响因素。
本门课中讨论传递动力学即动量、热量、 质量传递过程的速率。
2020/6/21
24
概论
▲速率与速度的区别： 速率指单位时间、单位面积上物理量的变 化——通量。 速度指单位时间内物理量的变化。
2020/6/21
10
绪论
2、化学工程
任何一个化工过程，不管其规模如何，都可以分解 为为数不多的 通用物理过程。这些物理过程有相同的 规律、使用同样的设备，称其为——单元操作（Unit Operation）。
把具有共性的单元操作抽出来，可以深入研究其原
理、设计方法、操作应用等。
2020/6/21
11
2020/6/21
2
传递现象导论
课程性质、目的和任务
本课程介绍动量、热量和质量三种传递过程的 原理、规律、研究方法、计算及应用的一门技术基 础课程。它作为数学、物理课程的延伸，置于《化 工原理》课程之前开设，有利于学生由基础课学习 向专业课学习时，尽快适应思维方式的转变，即由 严密的逻辑推理转向工程上综合判断，在数理基础 课与技术基础课《化工原理》间起桥梁作用。
（3）利用温度分布规律，确定合理的工艺 条件或强化过程。
温度分布将是热量传递中重要的研究内容。
2020/6/21
37
概论
4、浓度与浓度分布
▲浓度的表达方式：
质量浓度 ρ i =mi/v [kg/m3]
摩尔浓度 C i= n i/ v [kmol/m3]
总浓度
n
n
i C Ci
1
1
对理想流体 C i= n I / V = Pi/RT C = P / RT
状态，就是所谓的平衡状态，如相平衡、化
学平衡。
2020/6/21
21
概论
• 平衡时净速率为零，如平衡条件发生化， 则物系将偏离平衡状态，发生某种物理量的转 移，使物系再次趋向平衡。平衡过程的规律是 热力学要探讨的问题。
2020/6/21
22
概论
2、速率过程 不平衡时，正反两个方向上的速率不相 等，过程的某些量将随时间而变，过程的净 速率不为零。速率过程的规律是动力学要探 讨的问题。
2020/6/21
4
传递现象导论
教学基本要求
课程教学紧密联系数理基础，从工程问题出发， 以物理概念、工程简化、建立模型、一维处理为主。 通过对工程问题的物理分析，阐明如何进行合理简化 、建立物理模型和数学模型，学习解析计算的方法及 在工程上的典型应用。
要求掌握动量、热量和质量的传递基本特点和基 本规律；掌握利用守恒原理和特征方程建立数学模型 的方法；熟悉三种传递现象的类似性和研究方法，了 解传递现象在工程中的典型应用。
（3）按照速度分布规律计算速度梯度，是
解决计算一些工程物理量的途径，如流动阻力。
速度分布将是讨论的主要内容。
2020/6/21
34
概论
3、温度与温度分布 温度是物质微观粒子热运动激烈程度的宏 观体现，温度越高，微观粒子热运动的能量越 大。物体（流体）的绝大多数性质与温度有关。 热量传递过程中特征参数是温度。
绪论
• 传递过程（ Transport Process ） 单元 操作之间也存在着共性。单元操作中最基本 的过程是动量、热量、质量的传递，简称 “三传”。在单元操作中，三个传递过程有 时单独起作用，如过滤；有时两个、三个传 递过程同时起作用，如对流传热、传质。
2020/6/21
12
绪论
化学工程(Chemical Engineering)： 研究化学工业生产过程中的共同规律，用
2020/6/21
26
概论
2、速度与速度分布
物理学定义：动量=质量m×速度u。
速度可理解为单位质量物质所具有的动量。
即：速度 = 动量 / 质量
同一物质，速度不同，其动量也不同。
2020/6/21
27
概论
▲ 动量传递 当物系中不同分子或质点具 有不同的动量时，分子或质点相互接触，就 将发生动量传递，即由高流速分子或质点传 向低流速分子或质点。
（1）理想流体速度分布
（2）平板内速度分布
2020/6/21
30
概论
（3）圆管内速度分布
2020/6/21
31
概论
在工程计算时，为简便起见，常用平均速 度来代替速度分布。
假定流体沿截面做均匀流动，按各截面体 积流率相等原则确定平均流速U。
U AudA / A V / A
2020/6/21
32
2020/6/21
38
概论
质量浓度与摩尔浓度的关系： C i=ρ i/mi
质量分率 w i=C i/C (液体)
n
wi 1
1
摩尔分率 x I = C i /C (液体) y I = C i /C (气体)
n
xi 1
1
n
yi 1
1
2020/6/21
39
概论
▲浓度分布 当系统中存在着浓度差或系统未达到相平 衡时，物质就会从高浓度区域向低浓度区域 转移，或从一相转移至另一相，此即质量传 递。质量传递的场所均存在浓度变化，即存 在浓度分布。浓度分布与速度分布、流体性 质、设备条件等因素有关。
2020/6/21
35
概论
当过程中或流动系统中存在温度差，就会 发生热量从高温处向低温处的传递，即热量传 递。在传递过程中，会使物体或系统内部形成 某种温度分布，温度分布与流速分布、流体性 质、设备条件等因素密切相关。
2020/6/21
36
概论
研究温度分布的意义：
（1）是研究质量传递的基础；
（2）依据温度分布计算温度梯度是解析计 算传热速率大小的基础；
▲ 静态和动态是相对而言的。当原有条件
被破坏，静态可以转化为动态，而动态可以转
化为静态。平衡过程和速率过程即是如此。
2020/6/21
20
概论
1、平衡过程 自然界中存在着大量的正反两个方向的
变化，如：盐的溶解与解析、蒸发与凝结、
吸附与脱附、氧化与还原反应等。当这些正
反两方向的变化达到势均力敌的状态即极限
• 传递过程的研究内容： 任何学科之所以 成为一门学科，必须具备两个条件：一是要 有统一的研究对象；二是要有统一的研究方 法。
2020/6/21
16
绪论
▲ 学科的研究对象是：研究流体动量、热 量、质量的变化速率（传递速率）规律及影响 因素。
▲ 研究方法：一是数学模型法。即在对 过程深入分析的基础上，建立简化的物理模型， 进而写出数学模型，经简化引入的模型参数， 由实验确定，因此该理论也称半理论半实验法。 另一方法为经验法，即直接通过实验测定过程 参数的变化，拟合出过程规律。
2020/6/21
3
传递现象导论
本门课程的任务是： • 研究动量、热量和质量传递过程的规律（速率）
及影响因素： • 探讨动量、热量和质量传递之间的类似性及共同
的研究方法。 • 介绍动量、热量和质量传递规律的应用。
学习以动量传递为主。 特点： • 数学推导多，理论性强——抽象； • 研究方法统一，逻辑性强——前后关联大； • 工程应用性强。
• 热量通量： q Q [ J / m 2 s] WБайду номын сангаас/ m 2 At
• i组分质量通量: J i m A t [k g / m 2 s ]
以指导化工装置放大、设计和生产操作的学科。
传递过程（单元操作）、反应工程组成了 化学工程学科的两大支柱，简称“三传一反”。 在两个支柱的基础上，又派生出一些其他分支 学科，如解决过程极限问题的热力学，解决工 艺过程配置组合的化工过程设计及优化等。
2020/6/21
13
绪论
• 所谓“化工”即是化学工业、化学工艺和 化学工程的总称。