化工传递过程 第一章 传递过程概论✔

化工传递工过程 第一章 传递过程概论，传递过程原理是化工单元操作的基础，揭示单元操作过程和设计的基本原理，研究三传机理，提供数学模型，计算过程速率，将三传现象归结为速率问题综合探讨类似性。

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
      • 均质流体
      • 非均质流体:ρ=f(x, y, z)
      • 流体的比体积（质量体积):
    • (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;ρ=常数
        • 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;ρ= f(x, y,z,θ)
        • ※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
      • ※流体表面非均匀受力
      • 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
        • 表压力=绝对压力-大气压力
        • 真空度=大气压力-绝对压力
    • (四）流体平衡微分方程
      • 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)
      • 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)描述静止流体
        • x方向平衡条件:
        • 向量形式：
    • (五)流体静压力学方程
      • ※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 = f(x,y,z,θ)
      • 流率:单位时间内流体通过流动截面的量
        • 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
        • 质量流率与体积流率的关系:w= ρVs
      • 主体平均流速（ub）︰截面上各点流速的平均值
      • 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)
    • (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; u =f(x,y,z)与时间无关
      • 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;
    • (三）粘性定律和粘度
      • 1.牛顿粘性定律
        • • 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;ux在y轴方向上的速度梯度
      • 2．动力粘度（ μ )
        • • 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（Pa·s）和物理单位P(泊)；1P= 100cP；特性:是温度、压力的函数;μ = f(T, P)
          • ※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(v )
        • 流体的动力粘度与密度的比值
    • (四）牛顿型流体和非牛顿型流体
      •  a线为牛顿型流体
      • 牛顿型流体:遵循牛顿粘性定律的流体
        • ※所有气体和大多数低分子量的液体，如水、空气等
      • 非牛顿型流体:不遵循牛顿粘性定律的流体;
        • 某些高分子溶液、油漆、血液等
    • (五)粘性流体和理想流体
      • 粘性流体:具有粘性的流体，也叫实际流体;
      • 理想流体:完全没有粘性的流体，即μ =0的流体，自然界不存在;简化问题，对于粘度较小的流体，如水和空气
    • (六)）流动形态与雷诺数(Reynolds number)
      • 1.雷诺试验
        • 
        • 层流(laminar flow):流速较小时，流体成直线状平稳流动。表明流体中各质点沿着彼此平行的直线而运动，与侧旁的流体五任何宏观混合。
        • 湍流(紊流turbulent flow):流速较大时，流体中各质点除了沿管路向前运动之外，各质点还作不规则的脉动，且彼此之间相互碰撞与混合。
      • 2．雷诺数(Re)
        • 物理意义:作用在流体上的惯性力和粘性力的比值；※u和d称为流体流动的特征速度和特征尺寸
        • 当量直径=4水力半径=4流道截面积/润湿周边长
          • 
        • ※Re<2000，总是层流;Re>10000，一般都为湍流;2000<Re<10000，过渡状态。若受外界条件影响，如管道直径或方向的改变、外来的轻微振动都易促使过渡状态下的层流变为湍流
    • (七）动量传递现象
      • 
      • 动量通量:单位时间通过单位垂直于y方向面积上传递的动量
      • ※层流流体在流向上的动量，沿其垂直方向由高速流层向低速流层传递，导致流层间剪应力τ(内摩擦力）的产生。本质上是分子微观运动的结果，属于分子传递过程。
      • ※湍流流体在流向上的动量，分子传递+涡流传递。
• 第二节 动量、热量和质量传递的类似性
  • 一、分子传递的基本定律
    • 
    • 1.分子间动量传递
      • ※牛顿粘性定律
    • 2.分子间热量传递——热传导
      • ※傅立叶定律
    • 3.分子间质量传递——分子扩散
      • ※费克定律
  • 二、动量通量、热量通量与质量通量的普遍表达式
    • (一）动量通量= -（动量扩散系数）x(动量浓度梯度)
      • 注意单位   
    • （二）热量通量= —（热量扩散系数）x(热量浓度梯度)
      •  
    • （三）质量通量= —（质量扩散系数）x(质量浓度梯度)
      •   
    • 类似性：通量= —（扩散系数）x(浓度梯度)
      • 扩散系数具有相同的量纲（m2/s）
  • 三、涡流传递的类似性
    • 分子扩散系数仅与温度、压力、组成有关；涡流扩散系数与流体的性质无关，而与湍动程度、流体在流道中所处位置、边壁粗糙有关。
• 第三节 传递过程的衡算方法（略）
• 复习
• 绪论
  • 传递过程原理是化工单元操作的基础，揭示单元操作过程和设计的基本原理
  • 研究三传机理，提供数学模型，计算过程速率
  • 将三传现象归结为速率问题综合探讨类似性