传递过程原理.ppt

1、1,2020/6/25,1,传 递 现 象 导 论 Introduction to Transport Phenomena,2,2020/6/25,2,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）,3,2020/6/25,3,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

2、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。,4,2020/6/25,4,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。,5,2020/6/25,5,传递现象导论,课程教学紧密联系

3、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。,教学基本要求,6,2020/6/25,6,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

4、、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。,7,2020/6/25,7,绪 论 1、化工生产过程,什么是化工生产？,化工生产过程（或技术）化学工艺 (Chemical Technology)。,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。,8,2020/6/25,8,绪论 聚氯乙烯流程图,乙炔、氯 混合器,氯乙烯 反应器,水洗塔 （吸收）,碱洗塔 （吸收）,冷凝器 （换热）,精馏塔 （精馏）,聚氯乙烯 聚合釜,冷却器 （换热）,离心机 （过滤）,干燥器 （干燥）,旋风分离 （沉降

5、）,C2H2,Cl2,成品,热风,水,放空,水,碱液,9,2020/6/25,9,绪论 合成氨流程图,10,2020/6/25,10,绪论,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。,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。,11,2020/6/25,11,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

6、作应用等。,12,2020/6/25,12,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。,13,2020/6/25,13,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 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，

7、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。,14,2020/6/25,14,绪论,所谓“化工”即是化学工业、化学工艺和化学工程的总称。,15,2020/6/25,15,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。,16,2020/6/25,16,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。

8、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。,17,2020/6/25,17,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。,18,2020/6/25,18,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

9、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。,19,2020/6/25,19,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。,20,2020/6/25,20,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。, 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

10、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。,21,2020/6/25,21,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 状态，就是所谓的平衡状态，如相平衡、化 学平衡。,22,2020/6/25,22,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。,23,2020/6/25,23,概 论,2、速率过程 不平衡时，正反两个方向上的速率不相 等，

11、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。,24,2020/6/25,24,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。,25,2020/6/25,25,概 论,速率与速度的区别：,速度指单位时间内物理量的变化。,任何传递过程的速率均可写成： 速率 = 推动力 / 阻力,速率指单位时间、单位面积上物理量的变 化通量。,26,2020/6/25,26,概 论,1.2 传递过程的基本变量和

12、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T2T3T4,无内热源。,多层平壁,110,2020/6/25,110,分子传递现象,假设： a、每层导热系数 均为常数i=C。,b、层与层间为光 滑接触，不存在附加 热阻，即两接触面上 温度相等。定常时， 对每一层有：,111,2020/6/25,111,分子传递现象,由加和定律：,推广到n层平壁,112,2020/6/25,112,分子传递现象,讨论： a、定常时，对多层平壁 Q1= Q2 =Q n, A1= A2 =An。 q1 = q2 =q n。,b、由每层传热速率知： t1：t2：t3 = R1：

13、R2：R3 即：温差大的层，其热阻也大。,113,2020/6/25,113,分子传递现象,1.4.1.2 圆柱体定常导热 1、简化物理模型,a、设圆柱长为L，半径 为R，且LR，可看成沿 r 方向的一维导热；,b、设为常数；t1t2； 圆柱体具有内热源 q J/m3s。,114,2020/6/25,114,分子传递现象,2、热量衡算,取厚度为d r的微 元薄壳，进行热量衡 算（选用柱坐标）。 因圆柱中 r不同，传 热面积不同。,Q x+Q生=Q x+d x+Q积 Q积 = 0,t w,t0,115,2020/6/25,115,分子传递现象,代入热量衡算式, 并忽 略高阶无穷小。,t w,t0

14、,116,2020/6/25,116,分子传递现象, 热量衡算式,特征方程 ,117,2020/6/25,117,分子传递现象,3、温度分布与导热速度 具有内热源的圆柱导热,积分上式：,再积分：,118,2020/6/25,118,分子传递现象,边界条件：柱体在定常时，发热量,由,r = 0 时d T/d r不可 能。 C10,又： r =R, T=T w ,119,2020/6/25,119,分子传递现象,温度分布：,当r0时，T=T0，有最大温升：,120,2020/6/25,120,分子传递现象,圆柱内平均温度： 即：,121,2020/6/25,121,分子传递现象,平均温升与 最大温

15、升之比：,即：,热通量：,导热速率：,122,2020/6/25,122,分子传递现象,有内热源的导热实例：电热棒、电线、 管式反应器等。,123,2020/6/25,123,分子传递现象,1.4.1.3 圆管壁的导热 对圆管壁中的 导热，如无内热源,积分：,124,2020/6/25,124,分子传递现象,由边界条件： R = r1 ，T = T1； r = R2, T = T2。,温度分布：,125,2020/6/25,125,分子传递现象,温度分布：,热通量：,导热速率：,126,2020/6/25,126,分子传递现象,变形,令： 对数平均直径, 壁厚,127,2020/6/25,12

16、7,分子传递现象,上式与平壁式有相同的形式。因此对多 层圆筒壁（例如，带有保温层的圆管和容器 等）有：,（两点假设同平壁）。,128,2020/6/25,128,分子传递现象,讨论： a、对多层圆筒壁 Q1=Q2=Q n； A1A2An，则q1q2q n,b、由每层传热速率知： t1：t2：t3R1：R2：R3，即温差大 的层，该层热阻也大。,129,2020/6/25,129,分子传递现象,1.4.1.4 导热速率式应用,x,t4,t1,r4,r1,t,t2,t3,例1：确定保温材料的施加位置 。603 的钢管，145W/m2，外包一层厚 30mm石棉网，其 20.16W/m2，石 棉外再包

17、一层30mm 软木， 30.04 W/m2。,130,2020/6/25,130,分子传递现象,（）已知管内壁温度-110，软木外侧 温度10，求每米管长上损失的冷量。 （）若将两层保温材料互换，假设:此 时石棉外侧仍为10。此时每米管长上损失 的冷量为多少？ （）若大气温度20，将两保温材料互 换后，求每米管长实际损失的冷量及外层温 度。设互换前后，空气膜对流传热系数不变。 即9.21 W/m2。,131,2020/6/25,131,分子传递现象,解： 三层圆筒壁 d1 = 54mm， d2 = 60mm， d3 =120mm，d4 =180mm。 (1),由计算可知，小的（即绝热性能好的）

18、 材料应放在内层。,(2),132,2020/6/25,132,分子传递现象,（3）若考虑大气对流带走的热（冷）损失， 保温层外有一层空气膜，该膜的热阻为 1/（A ） 1 /（A），,即 1/气膜/气。 因 A = 2R4 L =d4 L。,133,2020/6/25,133,分子传递现象, T4=12.6C,134,2020/6/25,134,分子传递现象,例2：保温层临界厚度,确定保温层厚度，既要考虑管壁的导热， 又要考虑环境（大气）对流传热。,135,2020/6/25,135,分子传递现象,保温层厚度增加，R3增加，R01R02 （因表面积增加，对流散热增加）所以对给 定半径 R2

19、的圆管， 必定有一临界 R 3， 即保温层临界厚度。,136,2020/6/25,136,分子传递现象,上式对R3求导，并令 d Q / dR3 = 0,即：R3 = R c r =2 / 或：R c r/2 = 1。,137,2020/6/25,137,分子传递现象,R c r/2 = 1,所以工业管路上不会出现增加R， Q损的 情况(工业上管R 5mm)。只有电线R 1时，R3， Q损 / L。,讨论： 1、当R 3/21时，R 3, Q损/L，不 利于保温。此种情况多见于小管径管，工程上 保温材料= 0.05 0.15W/m，空气=10 W/m，此时 R c = 5 15mm。,138,

20、2020/6/25,138,分子传递现象,1.4.2.1 运动流体中的分子扩散 费克定律描述的是物质在静止介质中发 生的分子扩散，即介质无净运动或无对流运 动。若流体发生对流，各组分的运动速度各 不相同，在讨论组分扩散时，就会出现许多 复杂问题，这是动量和热量传递中所没有的。 由各组分扩散性质和扩散速率不同，引起各 组分分子统计速率不同，即出现各组分间相 对运动速度。,1.4.2 分子质量传递,139,2020/6/25,139,分子传递现象,1、平均速度与扩散速度 在质量传递中，流体中的各组分以绝对速 度（宏观速度）u i 运动，而流体的运动速度 常取各组分速度的平均值。平均方法有多种， 最

21、常用的是质量平均速度和摩尔平均速度。,140,2020/6/25,140,分子传递现象,固定坐标系： 对n组分，质量平均速度定义为：,同样，摩尔平均速度定义为：,141,2020/6/25,141,分子传递现象,取平均速度后，所 有组分（即混合物）均 看成以u或u M流动 总体流动。其方向与扩 散方向一致，一维时与 流动方向垂直。,总体流动,142,2020/6/25,142,分子传递现象,运动坐标系：对流体中的任意组分i，定 义相对速度： u i D = u i - u u i D = u i u M,相对速度也称为扩散速度，表明i组分因 分子扩散造成的扩散运动。,143,2020/6/25

22、,143,分子传递现象,2、扩散通量与扩散速率 指垂直于速度方向上，单位时间，单位 面积上扩散物质量，即浓度与速度的乘积。,固定坐标系： 质量通量 n i =i u i n = n i = u 摩尔通量 Ni = C i u i N = N i = C u M,144,2020/6/25,144,分子传递现象,运动坐标系： 质量通量 j i =i u i D =i (u i - u) =i u i i u = n i i n,摩尔通量 J i = C i u i D = C i (u i - u) =C i u i C i u M = Ni x i N,注意：上述各通量中，n、N为总体流动 的

23、通量。而j i 、J i为组分i分子扩散通量。,145,2020/6/25,145,分子传递现象,由以上定义可知：对双组分混合物，在 静止坐标中，可得到如下通量关系式：,对A组分： n A = j A +A u = j A + w An = j A +w A ( n A + n B),同样： NA = JA + CA u M = JA+ x AN = JA + x A ( N A + NB) 上式即是双组分物系分子扩散速率方程。,146,2020/6/25,146,分子传递现象,注意： NA= JA + x A ( N A + NB) 对A组分，其扩散通量由两部分组成， 即右边第一项为叠加在主

24、体流动上的分子 扩散通量；,第二项为主体流动带动的物质对流通 量。两者方向一致。,147,2020/6/25,147,分子传递现象,1.4.2.2 流体中两种典型分子扩散（对双组分物系）,1、一维等分子反向扩散 （单相流体中）,当流体中总浓度或总 压力为常数，即： C = CA+ CB = 常数 或 P = PA+ PB =常数,d CA / d y + d CB / d y = 0 即 d CA / d y = -d CB /d y 说明A扩散，必然有等量的 B反向扩散。即：NA = -NB,148,2020/6/25,148,分子传递现象, NA = JA + x A ( NA + NB

25、) = JA 定常时：NA = JA = -DAB d CA /d y = 常数,上式积分：, NA = DAB ( CA1 - CA2 ) / ( y2 - y1 ),149,2020/6/25,149,分子传递现象,NA = DAB ( CA1 - CA2 ) / ( y2 - y1 ) 上式表明在扩散方向上组分A的浓度分 布为直线。即： （CA- CA1）/ ( CA2 - CA1) = ( y - y1 ) / ( y2 - y1 ),150,2020/6/25,150,分子传递现象,传质速率：,对气体： CA = n A / V = PA / RT ,151,2020/6/25,15

26、1,分子传递现象,2、单项扩散（通过静止膜的扩散） 组分A通过静止气体（A+B） 层扩散，A+B为理想气体混合物， P、T恒定，B不溶于A液体。 NA = JA + x A ( NA + NB ), 气体静止，B不扩散 NB = 0（净扩散量），,JA = - DABC d x A /d y NA = - D AB C d x A / d y + x A NA,152,2020/6/25,152,分子传递现象,将DAB 、C等并入常数项C1 ， 则：,边界条件：y = y1 ，x A = xA1； y = y2 ，x A = xA2 。,153,2020/6/25,153,分子传递现象,得：,带入得：,上式即为浓度分布,154,2020/6/25,154,分子传递现象,浓度分 布求导：,传质 速率：, xA1-xA2= (1-xB1 )-(1-xB2 )=xB2-xB1,令： 称为组分的对数平均浓度。,NA = - D AB C d x A / d y + x A NA,155,2020/6/25,155,分子传递现象,若是气体 C = P / R T,P/PB m 、C/CB m 称为“漂流因子”，无因次。, 传质系数,156,2020/6/25,156,分子传