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,刘辉,CHE34200T：传递过程原理（1）,化学工程学院2013年3月,.,2,刘辉简历,本科，研究生，博士：毕业于天津大学化工学院。1998-至今：北京化工大学化学工程学院副教授，教授，博士生导师。研究方向：多相及催化反应工程，计算化学工程。联系：64433695；答疑：工程楼315问题反映：hliu课件下载：jcmaxwell;chemicaleng,.,3,ImmanuelKant(1724-1804),缺乏理论的实践是盲目的；没有实践的理论是空洞的。,.,4,1.1传递过程原理课程教学,1绪论,.,5,内容包括：动量、热量及质量传递的基本概念、原理、数学模型建立的一般方法。掌握传递过程基本原理在化工分离和反应设备模型化中的应用。培养理论和逻辑思维能力。,.,6,计划教学进度：1-13周，共32学时。每周一、科303，两个学时（3-5节），具体安排如下：动量传递：6周热量传递：3周质量传递：4周复习、答疑和习题课：2周考试：1周；随堂闭卷考察，字母分制。,.,7,作业和成绩的给出平时作业：20-30%期末闭卷考试：70-80%发现相同作业记0分缺作业按次记0分,.,8,网络教学综合平台简介,学校的课程网站是：http:/CCHE34200T：传递过程原理用户名是您的学号，初始密码是：000000。目前主要提供课件，习题答案，以及考题和参考文献、课外阅读资料等。课件下载：jcmaxwell;chemicaleng,.,9,So,Letsbeginourjourney,First对象和过程Then方法和工具Finally结果和结论,.,10,1、受力分析：隔离物体；画示力图。2、分析状态，建立坐标系。3、由牛顿第二定律列方程。4、求解方程。5、讨论。,解题步骤：,高中阶段处理物理问题的方法,.,11,1.2传递研究的对象和过程,.,12,ChemicalEngineering-WorkingwiththeWorld,.,13,多尺度视角下精馏塔中的过程,界面传质:双膜,.,14,水合肼（hydrazinehydrate）生产中的含氨废水排放问题,用作制药原料、显像剂、抗氧剂、还原剂等，也用于制发泡剂等。废水处理：直接排放到长江中去。自四川省发生沱江污染后，严查排放，致使企业不能排放污水。工厂拟扩产实现更大经济效益，但是由于不能排放，面临着将老系统关停的问题。将废水中的氨抽提、汽提或精馏出来，得到合格排放的水，同时将氨在塔顶富集，回收其中的氨，这样可以带来经济效益。,0,a,b,dropsonatray,gas:traceofNH3(1),bulkofN2(2),Stripping气提,.,17,进料,吸附剂颗粒中的大孔和小孔,没有比例,用于吸附分离的颗粒床层。其它如离子交换等。,干燥吸收?,化工过程中N多种分离或转化问题,化工过程中的新问题,化工过程中的新问题,化工过程中的新问题,惰性壁,(a)陶瓷蜂窝体催化剂块体,(b)单一反应通道,催化活性壁,反应段长,惰性段长,进料气,化工过程中的新问题,.,22,1.3传递过程描述：概念和方法,.,23,Thefirstparadigm(范式),ArthurD.Little,industrialistandchairofvisitingcommitteeofchemicalengineeringatMIT,wrotereportin1908“UnitOperationsshouldbethefoundationofchemicalengineering”FirsttextbookWalker-Lewis-McAdams“PrinciplesofChemicalEngineering”,1923,.,24,诸多的单元操作,.,25,Tobeafox?,Orahedgepig?,Thatisaproblem!,.,26,传递（Transferortransport）：物质在时、空中的运动和迁移。过程（Processes）:时、空中事物状态的变化。,球的传递在足球运动中特别重要！,本课程关注的是动量、热量及质量传递过程,变换视角：传递之于化工过程,.,27,传递現象TransportPhenomenon,Transport:传递或输运portiportjstateistatej,时间t,空间r(x,y,z),质量mass,能量E,G,H(energychange),动量(Momentumchange),(mv),.,28,化工过程中的传递现象：高速流动流体层低速层：动量(momentum)高温区低温区：热量(heatorenergy)高浓度区低浓度区：质量(mass)模式：高强度向低强度，自发消除差别,.,29,传递的两种主要机制：扩散（diffusion）过程-由于强度量（速度、温度、浓度）的差别导致的传递量的迁移运动。例：静水中糖的溶解扩散（受浓度或化学势驱动）等。对流（convection）过程-由于宏观流动导致的传递量的迁移运动。例：强制对流（forced）,定性描述,.,30,统一描述:以“三传”为物理内核的单元操作,.,31,从化工单元操作传递过程蒸馏萃取动量传递流体输送热量传递干燥质量传递吸收结晶.,抽象,至此，化学工程学科发展到了“三传一反”的较成熟阶段。,.,32,Thesecondparadigm,Firsttextbook“TransportPhenomena”byBird-Stewart-Lightfoot,1960,basedonkinetictheoryofgases,.,33,MITChemECurriculum,Chemistry,Mathematics,TransportPhenomenaSeparations(masstransfer)HeatTransferFluidMechanics(momentumtransport),ReactionEngineering,ProcessDynamicsandControl,ProcessDesign,EngineeringThermodynamics,UnitOperationsLaboratory,PhysicalChemistry&Lab,OrganicChemistry&Lab,Material&EnergyBalances,Physics,Thermodynamics(phaseequilibrium),Systems,1stParadigm-UO,2ndParadigm-Rates,Chemistry&Thermo,.,34,定量描述,速率过程（rateordynamicprocess）：动力学、非平衡过程，涉及状态在时、空的变化。有别于热力学平衡。速率（rate）单位时间传递物理量的变化量，如质量变化率kg/s。通量（flux）-单位时间、单位面积上传递物理量的变化量，如质量通量kg/（m2s）。关系：传递速率=通量传递面积,通量描述是重点！,.,35,旁白：平衡与速率,平衡与速率是化工过程中相互制约的孪生因素。化工过程是发生反应或传递的过程。过程的速率则决定与过程的推动力大小。传递现象都是从高强度非定平衡区向低强度平衡区转移过程的推动力通常正比于体系偏离平衡的程度,.,36,多尺度视角下精馏塔中的过程,界面传质:双膜,.,37,平衡和速率：现象,.,38,传递问题的模型化（modeling）,传递问题物理图景,基本定义和概念：流型,特征物理量：速度、温度和浓度等,定性和定量关系：规律，定理、定律等关系式,模型化描述：基于守恒律,结果分析和讨论,.,39,基本物理定律和附加关系质量守恒定律：连续性方程热力学第一定律：能量方程牛顿第二运动定律：动量方程衡算建模方法积分平衡（宏观平衡）微分平衡薄壳平衡,传递问题的模型化（modeling）,.,40,建立传递模型的积分平衡和微分平衡法,积分平衡（平衡，Balance）法对质量M（或体积V）的系统，不计内部细节或设定内部参数均一，应用动量、能量和/或质量守恒建立宏观传递模型的方法。例如：,3种守恒律是我们“搭积木”的法宝！,.,41,建立传递模型的积分平衡和微分平衡法,微分平衡（平衡，Balance）法对微分质量dM（或微分体积dV）的平衡微元（控制体，controlvolume），设定其内部参数均一，应用动量、能量和/或质量守恒建立微分传递模型的方法。同样，微元上遵循如下微分平衡关系：,3种守恒律是我们“搭积木”的法宝！,.,42,微分（薄壳）平衡方法示例：热传导问题建模,例1-1.圆管壁导热（热扩散）问题：确定温度分布、热通量等。解：物理描述,.,43,数学模型（控制方程，GoverningEquation(s)）建立：设定条件：定态（稳态），z向没有分布(1D)。t1t2。微分平衡关系：r处热流入=(r+dr)处热流出,略去2阶无穷小,1阶Taylor展开,微分平衡方法示例：热传导问题建模,.,44,微分平衡方法示例：热传导问题建模,.,45,续例1-1.,微分平衡方法示例：热传导问题建模,.,46,续例1-1.,与材质无关,微分平衡方法示例：热传导问题建模,.,47,“看得见的温度分布”,.,48,2流体流动的机理和模型化,目的1了解传递过程的基本概念。2掌握牛顿黏性定律，能够应用该定律，通过微分平衡建立简单的传递过程模型并作计算分析。3掌握连续性方程的推导及方程中各项的物理含义、分析计算（如随体导数、加速度等）。4了解动量方程的导出方法，掌握方程中各项的物理含义以及简化方程的方法。5了解上述微分衡算方程在不同坐标系中的形式，以及在简化条件下的形式。,.,49,流动的空气、水和天空中的流云,流动的空气、水和天空中的流云,.,50,流动和/或动量传递现象,.,51,流动和/或动量传递现象,.,52,2.1流体与流动的基本概念,传递过程的连续介质假设（尺度）：物理空间由连续的且充满介质的质点或微团构成。质点或微团有两个含义：1）微观足够大，使得统计平均得到稳定的物理量；2）宏观足够小，远小于系统的特征尺度，使微团内的物理量可视为均匀。例如流体密度：如此可以将物理量作为空间和时间坐标的连续函数，便于数学处理。如,.,53,传递过程的连续介质假设,.,54,流体微元的运动与形变：平移转动线变形-各边伸长或缩短角变形-边角的改变,中学里我们学习牛顿的质点力学就熟悉。,.,55,2.1流体与流动的基本概念,传递过程中常见的物理量标量-无方向性的数量，如温度，浓度。,矢量-有方向和大小，如速度矢量,据此，空间上区分为一维（onedimensional）、二维等过程；在时间上划分为稳态(定态，steady)和非稳态（unsteady）过程。,速度和速率？,.,56,2.1流体与流动的基本概念,值得注意，压强（压力）的定义式为,压强的作用方向为作用面的内法矢方向。,.,57,预备知识,常用数学算符,梯度算符（读delornabla，gradient）,度量3D空间中一个物理量分布的不均匀程度,.,58,预备知识,常用数学算符,梯度算符（读delornabla，gradient）,度量3D空间中一个物理量分布的不均匀程度,.,59,预备知识,梯度（gradient）：标量（如温度）场沿空间最大变化率方向上的变化率，衡量标量场的不均匀性，矢量。,空间中的等值面（如天气预报）,.,60,预备知识,散度（divergence）：在场中M点的邻域作含M的有向闭曲面S，包围空间体积V，以F表示从S穿出的流量，定义矢量的散度,例：质通量的散度是单位体积质量的变化率,.,61,预备知识,常用数学算符的运算,.,62,2.1流体与流动的基本概念,其中：L-特征长度（如管径），U-特征速度（如平均速度）。一般，Re10000为湍流；其间为过渡状态或间歇湍流。,流型（流态，flowpattern）和Reynolds数Reynolds实验揭示流动存在层流和湍流两种基本形态或结构，定量划分的依据是Reynolds数,.,63,2.1流体与流动的基本概念,分子扩散和涡（湍）流扩散：分子扩散（Moleculardiffusion）：由分子的无序热运动导致的传递。涡流扩散（Eddyorturbulentdiffusion）：定义流体中具有拟序结构的流体微团为涡团（eddy），则由于涡团运动所致的传递称涡流传递（涡团与分子类比）。,.,64,Randomwalk,.,65,Largeeddy,.,66,传递,对流传递：混合物宏观流动,扩散传递,分子扩散：分子热运动,涡流扩散：涡团湍动,传递定性描述：Revisited,.,67,2.2动量传递的基本定律,动量传递的物理图景传递机制流体具有粘性流体层间产生摩擦力导致动量传递（扩散）传递方向与梯度方向,梯度(正)方向,传递方向,.,68,动量传递的牛顿粘性定律,2.2动量传递的基本定律,.,69,关于牛顿粘性定律的几点讨论,1）牛顿粘性定律的微观解释（层流下动量扩散的图景）,.,70,关于牛顿粘性定律的几点讨论,1）牛顿粘性定律的微观解释,动量通量或应力,.,71,2）动量传递的唯象方程和物理含义,关于牛顿粘性定律的几点讨论,.,72,3）符合牛顿粘性定律的流体（即剪应力与速度梯度成正比）称为牛顿流体。不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿流体，如假塑性流体的剪应力关系为,动力粘度为零（无粘性）的流体为理想流体。,关于牛顿粘性定律的几点讨论,.,73,SirIsaacNewton1642-1727,AprofessoratCambridgeUniversityandlaterMasteroftheMint.,造币厂,.,74,2.3描述流体流动的欧拉观点和拉格朗日观点,.,75,研究流体流动的欧拉观点和拉格朗日观点诗人笔下的运动,飞花两岸照船红，百里榆堤半日风。卧看满天云不动，不知云与我俱东。-宋陈与义（1090-1138）,.,76,研究流体流动的欧拉观点和拉格朗日观点,迹线（轨道,trajectory）的定义：流体质点或微团在流场中运动的轨迹。已知质点或微团的位移,-迹线的微分方程,.,77,研究流体流动的欧拉观点和拉格朗日观点,欧拉（Euler）观点：空间固定位置处，固定被研究流体微元的体