【正文】 化工傳遞過程基礎(chǔ) 主要參考教材 [1]陳濤，張國亮．化工傳遞過程基礎(chǔ)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，２００ 9 [2]王紹亭，陳濤．化工傳遞過程基礎(chǔ)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 1987 [3]王紹亭．化工傳遞過程．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 1980 [4]王紹亭，陳濤．動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞．天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社， 1987 緒 論 一 、 化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展階段 工藝過程考察階段 單純的過程實(shí)踐考察 ， 結(jié)論 異業(yè)各殊 ， 化工廠是由不同的化學(xué)反應(yīng)和物理過程組成 ，代表作為 1 8 9 8年 F . H . T h o r p e “ O u t l i n e of Chemistry” 。 單元操作認(rèn)識(shí)階段 以某些設(shè)備和過程組成的系統(tǒng)是相同（ 近 ） 的 ， 將相同的系統(tǒng)經(jīng)分析 、 歸納和分類分成若干單元操作來考察生產(chǎn)過程 ， 化工廠是由若干單元操作和化學(xué)反應(yīng)過程組成的 ， 結(jié)論 異業(yè)有同 。 代表作為 1923年 Walker， Lewis “ Principles of Chemical Engineering” 。 化工傳遞認(rèn)識(shí)階段 對(duì)單元操作研究的基礎(chǔ)上獲得共同實(shí)質(zhì)為動(dòng) 、 熱 、 質(zhì)量傳遞過程 ， 從理論上步入了 異業(yè)相同 。 雖傳遞過程使用的定律與單元操作過程一樣但方法不同 ， 內(nèi)容上實(shí)踐 — 理論 、 理論 — 實(shí)踐和理論 、 實(shí)踐的統(tǒng)一 ， 方法上采用宏觀 —微觀 、 微觀 — 宏觀和宏觀 、 微觀的統(tǒng)一 。 代表作為1960年 “ Transport Phenomena” ，J . R . W e l t y ， C . E . W i c k s ， R . E . W i l s o n “ Fundementals of Momentum， Heat and Transfer” 。 信息化階段 二、化工傳遞過程課程的內(nèi)容和任務(wù) 化工傳遞過程是據(jù)三個(gè)基本定律，采用微分衡算的方法研究動(dòng)、熱、質(zhì)量傳遞過程的基本原理，及三種傳遞現(xiàn)象之間的定量關(guān)系。其基本出發(fā)點(diǎn)是將三種傳遞現(xiàn)象歸結(jié)為過程速率問題加以探討。動(dòng)、熱、質(zhì)量傳遞過程和現(xiàn)象是不可分割，而且互相作用。 學(xué)習(xí)本課程的任務(wù)是：①進(jìn)一步理解各種傳遞過程的本質(zhì)，啟發(fā)和指導(dǎo)我們改善各類傳遞過程的途徑；②為化工過程的開發(fā)和研究提供理論基礎(chǔ)和基本數(shù)學(xué)模型思路，從而將高新技術(shù)應(yīng)用到化工生產(chǎn)中去。 化工傳遞過程重點(diǎn)探討物理過程進(jìn)行的速率及其傳遞機(jī)理，動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞過程的類似性。 第一章 傳遞過程概述 體系內(nèi)部具有強(qiáng)度性質(zhì)的物理量存在梯度時(shí)的狀態(tài)稱為不平衡狀態(tài) 。任何處于不平衡狀態(tài)的物系都有向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移的傾向，這些 物理量朝平衡方向轉(zhuǎn)移的過程 稱 傳遞過程 。質(zhì)量傳遞指物系中的組分由高濃區(qū)向低濃區(qū)擴(kuò)散或通過相界面的轉(zhuǎn)移；熱量傳遞指熱量由高溫區(qū)向低溫區(qū)的轉(zhuǎn)移；動(dòng)量傳遞則是在垂直于流動(dòng)方向上，動(dòng)量由高速區(qū)向低速區(qū)的轉(zhuǎn)移。 傳遞方式 ： 由微觀分子熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的傳遞 為 分子傳遞 ；依靠宏觀的流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)造成的傳遞 ，稱為 湍流傳遞 。 傳遞過程的大小常用傳遞速率或通量（ 傳遞量 /m2 s）描述。 第一節(jié) 分子傳遞條件下傳遞通量的通用表達(dá)式 一、質(zhì)量通量 dydDj AABA??? 式中： jA— A的質(zhì)量通量， kg/（ m2s ）； DAB — A的擴(kuò)散系數(shù)， m2/s； — A在 y方向上的質(zhì)量濃度梯度， “ － ” 表示質(zhì)量通量的方向與濃度梯度的方向相反 ，即 A朝著濃度降低的方向傳遞。 質(zhì)量通量 = － 質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù) 質(zhì)量濃度梯度 二、熱量通量 式中： q—— 熱量通量， J/（ m2s ）； α —— 熱量擴(kuò)散系數(shù)， m2/s； —— 在 y方向上的熱量濃度梯度， 。 “ － ” 表示熱量通量的方向與熱量濃度梯度的方向相反 ，即熱量朝著溫度降低的方向傳遞。 熱量通量 = － 熱量擴(kuò)散系數(shù) 熱量濃度梯度 dyd A?mmkg 3/dytcddytcdckdydtkq ppp)()( ???? ??????dy tcd p )(? mmJ 3/ 三、動(dòng)量通量 式中： τ—— 動(dòng)量通量（ kgm/s） /（ m2s ）； ν —— 動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)， m2/s； —— 在 y方向上的動(dòng)量濃度梯度， 。 “ － ” 表示動(dòng)量通量的方向與動(dòng)量濃度梯度的方向相反 ，即動(dòng)量朝著速度降低的方向傳遞。 動(dòng) 量通量 = －動(dòng) 量擴(kuò)散系數(shù) 動(dòng) 量濃度梯度 四、動(dòng)量通量與剪應(yīng)力 兩層流體以 ux1和 ux2向前運(yùn)動(dòng)，且分子運(yùn)動(dòng)引起分子在流層間交換。若質(zhì)量為 m的流體從 1層跳到 2層，動(dòng)量由 mux1 增到 mux2 ，同時(shí)質(zhì)量為 m的流體從 2層下到 1層，動(dòng)量由 mux2減少到 mux1 。從宏觀上表現(xiàn)為 1層受到 2層的推力， 2層受到 1層的阻力，動(dòng)量交換的結(jié)果產(chǎn)生了剪應(yīng)力。 剪應(yīng)力 τyx為動(dòng)量在其垂直方向上傳遞的結(jié)果， 其 大小和動(dòng)量通量在數(shù)值上相等 。 說明；對(duì)剪應(yīng)力可正可負(fù)，對(duì)動(dòng)量通量只能取負(fù)， 表示動(dòng)量傳遞的方向和動(dòng)量濃度梯度的方向相反。 同時(shí) 動(dòng)量通量方向和剪應(yīng)力的方向垂直 。 dyuddyuddydu xxx )()( ??????? ??????dyud x )(?msmkg /? 五、小結(jié) 動(dòng)、熱、質(zhì)量通量普遍的表達(dá)方程式： 通量 = － 擴(kuò)散系數(shù) 濃度梯度 動(dòng)、熱、質(zhì)量 擴(kuò)散系數(shù) 具有相同的因次，均為 m2/s； 通量為單位時(shí)間內(nèi)通過與傳遞方向相垂直的單位面積上的動(dòng)、熱、質(zhì)量，各 量的傳遞方向均與該量的濃度梯度方向相反 ，故普遍式中加“－”號(hào)。 第二節(jié) 湍流傳遞條件下傳遞通量的通用表達(dá)式 一、渦流傳遞的通量表達(dá)式 在湍流流體中，質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)、混合和旋渦運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)、熱、質(zhì)量的傳遞程度大大加劇。仿照分子傳遞的方程式， 1877年 Boussinesq提出了渦流傳遞的通量表達(dá)式： 其中：渦流擴(kuò)散系數(shù) ε、 εH 、 εM 非流體物性參數(shù)，與流動(dòng)條件有關(guān)。 dyud xr )( ??? ??dytcdq PHe )( ????dydj AMeA??? 二、湍流傳遞的動(dòng)量、熱量、質(zhì)量通量表達(dá)式 因此，不僅層流時(shí)的三種傳遞過程之間具有類似性，而且湍流時(shí)的三種傳遞過程之間也具有類似性，同時(shí)層流與湍流傳遞過程之間均具有類似性。故可采用類比的方法研究動(dòng)、熱、質(zhì)量傳遞過程，在許多場(chǎng)合可用類似的數(shù)學(xué)模型來描述動(dòng)、熱、質(zhì)量傳遞過程的規(guī)律。 dyud xrt)()( ?????? ?????dytcdqqq PHet)()( ??? ?????dydDjjj AMABeAAAt?? )( ????? 第二章 總動(dòng)量、總熱量、總質(zhì)量衡算 在化工中需對(duì)系統(tǒng)或某一過程的總動(dòng)量（對(duì)過程包含的力進(jìn)行分析）、總熱量（了解過程熱量和其它能量間的轉(zhuǎn)化關(guān)系）、總質(zhì)量（掌握過程物料的變化）進(jìn)行衡算，為研究動(dòng)、熱、質(zhì)量傳遞和單元操作的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)推導(dǎo)微分動(dòng)、熱、質(zhì)量衡算也有指導(dǎo)作用（依據(jù)定律相同）。 前提：規(guī)定衡算范圍、基準(zhǔn)和對(duì)象。在流動(dòng)過程，通常將進(jìn)行總衡算時(shí)所 限定的空間區(qū)域稱為控制體，包圍此空間區(qū)域的邊界面稱控制面。 特點(diǎn)：根據(jù)控制體外部各有關(guān)物理量的變化，來研究空間范圍內(nèi)部的總體平均變化情況，而無需對(duì)內(nèi)部每一點(diǎn)的規(guī)律進(jìn)行分析。 本章推導(dǎo)通用的總衡算方程，并說明在化工中的具體應(yīng)用。 第一節(jié) 總質(zhì)量衡算方程式 一、通用的總質(zhì)量衡算方程式 設(shè)：控制體為任意空間范圍，體積 V，控制 A 面面積 A，有多個(gè)進(jìn)出口且流速方向與控制面的 法線交角為任意 α，流體密度 ρ，流速 。 流體通過微元面積 dA時(shí)， 質(zhì)量速度： G =ρ 質(zhì)量流率： dw = ρucosαdA u?u? u?n?? 則通過整個(gè)控制面的質(zhì)量流率： 該式表示通過控制面外流的凈質(zhì)量流率，即： ＞ 0 ，質(zhì)量的輸出大于輸入 =（輸出－輸入）流率 = 0 ，質(zhì)量的輸出等于輸入 ＜ 0 ，質(zhì)量的輸出小于輸入 在微元體 dV內(nèi)，流體的質(zhì)量為 ρdV，整個(gè)控制體的瞬時(shí)質(zhì)量和質(zhì)量累積速率： 因此根據(jù)質(zhì)量守恒定律，任意控制體的通用的總質(zhì)量衡算方程式為： dAuwA??? ?? ?? cos dAuwA??? ?? ?? cos????VdVM ? ????VdVddddM ??? 0cos ???? ?????VAdVdddAu ???? 二、化工流動(dòng)系統(tǒng)中的總質(zhì)量衡算方程式 化工中常見的是通過管道或容器的流動(dòng)，特點(diǎn)①流動(dòng)方向與通過的截面垂直（ α=0或 α=180176。）；② ρ=常數(shù)； ③流速取平均值： 對(duì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng) ： ， 即為連續(xù)性方程式。 三、總質(zhì)量衡算方程式的應(yīng)用 單組分系統(tǒng)的質(zhì)量衡算 見例 12 多組分系統(tǒng)的質(zhì)量衡算 對(duì)其中任一組分： ???Ab udAAu1 0cos112212?????????? ?????? ????????? ddMAuAuddMudAudAddMdAu bbAAA 012 ??? ?ddMww0??ddM 012 ??? ?ddMww iii 設(shè)組分 i的質(zhì)量分率為 ai=wi/w，對(duì) n組分系統(tǒng)可得（ n－ 1）個(gè)獨(dú)立方程式： 將 n個(gè)方程式相加仍然得到： （使用時(shí)可據(jù)情況聯(lián)立求解， 見例 13 ） 有化學(xué)反應(yīng)時(shí)的質(zhì)量衡算 在控制體內(nèi)當(dāng)組分間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，則有產(chǎn)物生成，因此產(chǎn)物的生成速率應(yīng)加入到衡算中。此時(shí)各組分的量根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系相應(yīng)變化，因反應(yīng)物和生成物的化學(xué)當(dāng)量相等，故采用摩爾流量單位計(jì)算方便。 對(duì)組分 i的摩爾流量衡算： 對(duì)體系總摩爾流量衡算： 01122 ????ddMawaw iii 012 ????ddMww39。39。139。1