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化工传递过程基础第三版 ppt课件

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化工传递过程基础(第三版)

化工传递过程基础(第三版)
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
雷诺实验
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。
（一）流速与流率
流速：流体流动的速度，表示为 u
uf(x,y,z,)
流速不均匀分布情况下，点流速（在dθ时间内流体流过距离ds）
ux
dx d
uy
dy d
dz uz d
流率：单位时间内流体通过流动截面的量
[m/s]
※ 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
第二章 连续性方程和运动方程
第一节 描述流动问题的两种观点
一、欧拉观点和拉格朗日观点
（一）欧拉观点
以相对于坐标固定的流场内的任一空间点为研究对象，研究流体流经每一 空间点的力学性质； ※ 特点：选定研究对象的体积、位置固定，通过研究对象的物理量随时间改变；
（二）拉格朗日观点
研究对象是流体运动的质点或微团，研究每个流体质点自始至终的运动过程； ※ 特点：选定研究对象的质量固定，位置和体积随时间改变；
✓ 物理过程的速率和传递机理的探讨
• 动量传递
• 热量传递
• 质量传递
推动力：速度差 推动力：温度差 推动力：浓度差
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（ρ）

第3章传热(2)课件(共109张PPT)《化工单元操作(第三版)》同步教学(化工版)

第3章传热(2)课件(共109张PPT)《化工单元操作(第三版)》同步教学(化工版)
❖若两流体的流动方向相同，称为并流； 若两流体的流动方向相反，称为逆流； 若两流体的流动方向垂直交叉，称为 错流；若一流体沿一方向流动，另一 流体反复折流，称为简单折流；若两 流体均作折流，或既有折流，又有错 流，称为复杂折流。
❖当两流体在换热过程中均只发生相变时， 热流体温度T和冷流体温度t都始终保持不 变，称为恒温传热。
❖ 管外侧流体 ❖ ：对稳态传热
Q0 0 S0 (tc,w tc )
Q Qi Qm Qo
Q th th,w th,w tc,w
1
b
iSi
Sm
tc,w tc 1
0S0
因此，Q 1
th tc b
1
t R
i Si Sm 0 S0
th
热Q 流 体
th,w
令： R 1 1 b 1
内的平均比热，亦是进出口平均温 度下的比热。
（3）潜热法（有相变）
Qh=qm,hγh Qc=qm,cγc 若无热损失， Qh= Qc 注意：a.通过上式可计算载热体或冷流体的
热量。
b.若有热损失
Q= Qc= Qh+ QL 热损失在热流体一侧 Q= Qh= Qc+ QL 热损失在冷流体一侧
三、传热温度差的计算
❖化工过程的传热问题可分为两类：一 类是设计型问题，即根据生产要求， 选定（或设计）换热器；另一类是操 作型问题，即计算给定换热器的传热 量、流体的流量或温度等。两者均以 传热基本方程为基础。下面以设计型 问题为例分析解决传热问题要涉及到 的有关内容。
❖对于一定的传热任务，确定换热器所 需传热面积是选择（或设计）换热器 的主要任务。由传热方程式可知，要 计算传热面积，必须先求得传热速率
(二)热量衡算与热负荷的确定

化工传递过程(第三版)第一章PPT课件

化工传递过程(第三版)第一章PPT课件

思考题
1.传递的方式有哪些？各自的传递条件是什么？ 2.何谓现象方程？并说明表达式中各符号的含义。 3.写出温度的随体导数，并说明其各项的含义？
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
在流体中，若两个相邻的流体层的速度不同，则将 发生由高速层向低速层的动量传递。
动量传递方向
u1 u2
一、平衡过程与速率过程
2. 热量传递过程—当物系中各部分之间的温度存 在差异时，则发生由高温区向低温区的热量传递。
t1＞ t2 ＞ t3
热流方向 t1 t2 t3
一、平衡过程与速率过程
3. 质量传递过程—当物系中的物质存在化学势差 异时，则发生由高化学势区向低化学势区域的质量 传递。
当过程变化达到极限，就构成平衡状态。如化学 平衡、相平衡等。此时，正反两个方向变化的速率 相等，净速率为零。
不平衡时，两个方向上的速率不等，就会发生某 种物理量的转移，使物系趋于平衡。
一、平衡过程与速率过程
热力学：探讨平衡过程的规律，考察给定条件下 过程能否自动进行？进行到什么程度？条件变化对 过程有何影响等。
动量守恒定律—牛顿第二定律、热量守恒定律— 热力学第一定律以及质量守恒定律。
对所选过程或物理现象，划定一个确定的衡算范 围，将动量、热量与质量守恒定律应用于该范围， 进行物理量的衡算。
一、守恒定律与衡算方法
对流体流动体系的衡算 Q
w2 w1
W
（a） （b）
（c）
一、守恒定律与衡算方法

化工传递过程基础知识PPT(共 63张)

化工传递过程基础知识PPT(共 63张)

传递方式：由微观分子热运动所产生的传递为分子传递； 依靠宏观的流体质点的运动造成的传递，称为湍流传递。
传递过程的大小常用传递速率或通量（传递量/m2 s）描述。
第一节 分子传递条件下传递通量的通用表达式
一、质量通量
jA
DAB
dA
dy
式中：jA—A的质量通量，kg/（m2·s）； DAB —A的扩散系数，m2/s；
A
A 2
A 1
u c H o ds A H 2 u d H A 1 u d (w A)H
A
因而：
A 2
A 1
2 1 (w b 2) ug (w ) z (w) H d d t E q W s
称为化工连续稳定流动系统的总能量衡算方程式。
对体系总摩尔流量衡算：
w 2 ' xi2 w 1 'xi1
dM i' d
R i'
R 其中生成速率 ' 和 i
Ri' 的计算方法是：
化学反应方程式写为： bA BA + bB BB + ……+ bi Bi + ……=∑bi Bi =0
同时规定：产物的 bi ＞0，反应物的 bi ＜0 。
w2 w1ddM0
3、有化学反应时的质量衡算
在控制体内当组分间发生化学反应时，则有产物生成，因此产物的生成速率
应加入到衡算中。此时各组分的量根据化学反应的计量关系相应变化，因反 应物和生成物的化学当量相等，故采用摩尔流量单位计算方便。
对组分i的摩尔流量衡算： w2 ' xi2w1'xi1ddM i' Ri'
1
ub

第六章 传热概论与能量方程 化工传递过程基础课件

第六章 传热概论与能量方程 化工传递过程基础课件
黏滞力引起
由于黏性产生摩擦 —摩擦热
2020/10/10
一、能量方程的推导
流体微元体积形变速率为
1 Dv u v Dθ
导热在气体、液体和固体中均能发生； 导热的推动力：温度差。
2020/10/10
一、热传导
介质 气体 液体
非导电固体 金属
绝热材料
热导率，W/(m.oC) 0.006～0.06 0.1～0.7 0.2～3.0 15～420 0.003～0.06
2020/10/10
一、热传导
（1）气体的热导率
气体
对流 传热
强制对流传热 —外力作用引起； 自然对流传热 —流体的密度差引起。
2020/10/10
二、对流传热
本课程研究的对流传递包括：①运动流体与固体 壁面之间的热量传递；②两个不互溶流体在界面的 热量传递。
流向
ts＞tf tf
ts
液↑
体气
↓体
tl tg
2020/10/10
二、对流传热
对流传热速率可由牛顿冷却定律描述，即：
(
q A
)
x
k
t x
q
t
( A)y k y
(
q A
)
z
k
t z
代入得
（输入 -输） 出 k(2t 2t 2t)dxdydz x2 y2 z2
2020/10/10
一、能量方程的推导
对于一般情况，假定微元系统内部存在内热源。
设 q —单位体积流体生成的热速率 J /( m3 . s） 则 流体微元发 qd热 xd速 yd率 z
q A0T4
2020/10/10
第六章 传热概论与能量方程
6.1 热量传递的基本方式 6.2 能量方程

第三章【化工传递过程基础】ppt课件

第三章【化工传递过程基础】ppt课件
由连续性方程和运动方程化简可得
ux ν 2ux θ y2
I.C. θ≤ 0，ux＝0；(所有 y) B.C. y = 0，ux＝u0；(所有 θ＞0)
y = ∞，ux＝0；(所有 θ＞0)
.
36
二、方程的求解
令 η y
4νθ
ux ux ηux 1 y ηy η 4νθ
ux =ux ηη ux θ ηθ 2θ η 2yu2x， η uyx η yηuηx η y η y41 νθ2ηu2x
.
14
一、圆管中的轴向稳态层流
流体在圆管中的流动问题许多工程科学中遇到。
设：不可压缩流体在 水平圆管中作稳态层流 流动，所考察的部位远 离管道进、出口，流动 为沿轴向的一维流动。
r z
.
15
一、圆管中的轴向稳态层流
柱坐标连续性方程的简化
1 rr(rur)1 ruθθuzz 0
uz 0 z
N-S方程简化
线作层流流动。若圆筒足够 长，端效应可以忽略。
ω1 ω 2
a b
.
26
ur0, uz0
三、旋转黏度计的测量原理
连续性方程简化
1 rr(rur)1 ruθθuzz 0 ur 0,uz 0
运动方程简化
u θrur urr
uθ r
uθr urθ2uzuzr
uθ 0 θ
Xr1 ρ p rν r1 rr(rur)r122θu2r r22uθθ2zu2r
p ρY ρg y
.
9
一、方程的简化
p μ(2ux )
x
y 2
（a)
p ρY ρg (b)
y
p 0
(c)
z
（b）对 y 积分得

化工传递过程基础3

2 2
在球坐标系中固体热传导方程式为：
1 t 1 2 t 2 (r ) r r r
1 t 1 t q 2 (sin ) 2 2 2 r sin r sin k
2
第八章
热传导
热传导是指介质不发生宏观运动时，依靠分子运动而传递热量的过程，严 格讲固体中内部的传热才是纯粹的热传导。本章讨论固体内部的导热问题， 推导温度与时间、位置的函数关系及其导热速率、影响因素。
3、球体的一维稳态热传导
采用球坐标系，方程式简化为：
d 2 dt (r )0 dr dr
其边界条件为：r=r1，t=t1 ；r=r2，t=t2 代入边界条件得： r r (t t ) 积分： t = －C1/r + C2
r2 (t1 t2 ) C2 t1 r2 r1 r2 r1 所以温度分布方程式： r1r2 (t1 t2 ) 1 r2 (t1 t2 ) t t1 r2 r1 r r2 r1 C1
a11t1 a12t 2 a1n t n c1 a21t1 a22t 2 a2 n t n c2 an1t1 an 2t 2 ann t n cn
称为Laplace方程式；
t t t q 2 2 2 x y z k
2 2 2
即： 2 t
称为Possion方程式；
在柱坐标系中固体热传导方程式为：
1 t 1 t 1 t t q (r ) 2 2 2 r r r r z k
2、固体中的热传导 固体内部不存在宏观流动， u x u y u z 0 ; 而且：
D ; 0 D
DU U t (c p t ) c p D

化工传递过程基础知识(ppt 63页)

3、通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动、热、质量， 各量的传递方向均与该量的浓度梯度方向相反，故普遍式中加“－”号。
第二节 湍流传递条件下传递通量的通用表达 式
一、涡流传递的通量表达式
在湍流流体中，质点的脉动、混合和旋涡运动，使动、热、质量的传
递程度大大加剧。仿照分子传递的方程式，1877年Boussinesq提出了涡流
d (ux )
dy
——在y方向上的动量浓度梯度，kg m / s m
。
“－”表示动量通量的方向与动量浓度梯度的方向相反，即动量朝着速度降 低的方向传递。 动量通量 = －动量扩散系数×动量浓度梯度
四、动量通量与剪应力
两层流体以ux1和 ux2向前运动，且分子运动引起分子在流层间交换。若质 量为m的流体从1层跳到2层，动量由mux1 增到 mux2 ，同时质量为m的流体 从2层下到1层，动量由mux2减少到 mux1 。从宏观上表现为1层受到2层的 推力，2层受到1层的阻力，动量交换的结果产生了剪应力。
d (cpt)
dy
——在y方向上的热量浓度梯度，
J
/ m3 m
。
“－”表示热量通量的方向与热量浓度梯度的方向相反，即热量朝着 温度降低的方向传递。 热量通量 = －热量扩散系数×热量浓度梯度
三、动量通量
dux d (ux ) d (ux )
dy dy
dy
式中：τ——动量通量（kg·m/s）/（m2·s）；ν ——动量扩散系数，m2/s；
传递方式：由微观分子热运动所产生的传递为分子传递； 依靠宏观的流体质点的运动造成的传递，称为湍流传递。
传递过程的大小常用传递速率或通量（传递量/m2 s）描述。
第一节 分子传递条件下传递通量的通用表达式

化工传递过程基础第三


计算：在流动截面上任取一微分面积dA，其点流速为ux，则通过该微元面积 的体积流率dVs？通过整个流动截面积A的体积流率Vs？
求解： 1.体积流率定义式: dVs uxdA
？？
2.体积流率积分: 3.质量流率（w）:
Vs uxdA
A
w Vs
主体平均流速（ub）: 截面上各点流速的平均值
单位：SI单位和物理单位
SI单位制：

u /
y

N / m2 m/s

N s m2

Pa s
m
物理单位制：

u / y

dyn / cm2 cm / s

dyn s cm2

g cm s

P(泊)
cm
特性：是温度、压力的函数； f T , P

ux
y



kgm/ s m3 m

重要
（动量通量）= —（动量扩散系数）x （动量浓度梯度）
（二）热量通量
q k d cpt d cpt
A cp dy
dy
※ q/A：热量通量

q A

J m2
s

p Y
y
z方向微分平衡方程：
p Z
z
自己推？
※ 静止流体平衡微分方程（欧拉平衡微分方程）


fB
p
重要
单位体积流体的质量力 静压力梯度
（五）流体静压力学方程
欧拉平衡微分方程
p X p Y
x
y
p Z
z
质量力：X = 0，Y = 0，Z = - g

化工原理第三版(讲课用)PPT课件


七、教学安排 1. 理论课 108学时+课程设计2周+实验 2. 理论课安排 3. 考核
八、 参考书
1. 王志魁.化工原理(第三版). 北京：化学工出版 社,2005
2. 陈敏恒.化工原理(上下册). 北京：化学工出版 社,2000
3. 何潮洪，窦梅，朱明乔，等.化工原理习题精解 (上册).北京：科学技术出版社,2003
2. 欧拉法 描述空间各点的状态及其与时间的关系 例如:速度的描述
ux＝fx(x，y，z，t)
uy＝fy(x，y，z，t) uz＝fz(x，y，z，t)
四、定态与稳定
1. 定态 指全部过程参数均不随时间而变 定态流动：流场中各点的流动参数只随位置变化而 与时间无关。 非定态流动：流场中各点的流动参数随位置与(或) 时间而变化。
二、流体质点与连续性假设 1. 质点的含义 质点：由大量分子构成的集团(微团)，是保持流 体宏观力学性的最小流体单元，从尺寸说是微观上充 分大，宏观上充分小的分子团。 微观上充分大 分子团的尺度>>分子的平均自由程 对分子运动作统计平均，以得到表征宏观现象的物理量
宏观上充分小 分子团的尺度<<所研究问题的特征尺寸 物理量都可看成是均匀分布的常量
三 、本课程研究方法
1 .实验研究方法(经验法)
2. 数学模型法(半经验半理论方法)
合理 分析 简化 过程 机理
数学
物理 描述 数学
模型
模型
求解
含模型参 数的结果
实验
求得模 型参数
四 、联系单元操作的两条主线 传递过程 研究工程问题的方法论
五、 化工过程计算的理论基础
化工过程计算的类型：设计型计算和操作型计算
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热量传递、质量传递
平衡过程和传递过程
• 传递过程：物理量向平衡转移 • 平衡状态：强度性质的物理量不存在梯度
• 补充： • 体系的宏观可测性质可分为两类：
1. 广度性质，与体系的数量成正比，如体积、质量等，具 有加和性 2. 强度性质：不具有加和性，其数值取决于体系自身特性， 与体系数量无关，如温度、压力、密度等
平衡过程和传递过程
• 传递过程的速率可以用通式表示如下
第一章 传递过程概论(动量传递)
1.1流体的定义和特征
• 物质存在的形态有三种：固体、液体和气体。 • 我们通常把能够流动的液体和气体统称为流体。 • 从力学角度来说，流体在受到微小的剪切力作用时，
将连续不断地发生变形(即流动)，直到剪切力的作用 消失为止。所以，流体可以这样来定义： • 在任何微小剪切力作用下能够连续变形的物质叫作流 体。 • 流体和固体由于分子结构和分子间的作用力不同，因 此，它们的性质也不同。在相同体积的固体和流体中， 流体所含有的分子数目比固体少得多，分子间距就大 得多，因此，流体分子间的作用力很小，分子运动强 烈，从而决定了流体具有流动性，而且流体也没有固 定的形状。
(2)固体的应变与应力的作用时间无关，只要不超过弹性 极限，作用力不变时，固体的变形也就不再变化，当外力去除 后，形变也就消失；对于流体，只要有应力作用，它将连续 变形(流动)，当应力去除后，它也不再能恢复到原来的形状。
1.1流体的定义和特征
液体和气体虽都属于流体，但两者之间也有所不同。液体的 分子间距和分子的有效直径相当。当对液体加压时，只要分子 间距稍有缩小，分子间的排斥力就会增大，以抵抗外压力。所 以液体的分子间距很难缩小，即液体很难被压缩。以致一定质 量的液体具有一定的体积。液体的形状取决于容器的形状，并 且由于分子间吸引力的作用，液体有力求自己表面积收缩到最 小的特性。所以，当容器的容积大于液体的体积时，液体不能 充满容器，故在重力的作用下，液体总保持一个自由表面，通 常称为水平面。
• 两个相邻流体层的动量传递
平衡过程和传递过程
2.热量传递过程： • 物体各部分存在温度差，热量由高温区向
低温区传递
平衡过程和传递过程
3. 质量传递：当体系中的物质存在化学势差 异时，则发生由高化学势区向低化学势区 域的传递
• 化学势的差异可以由浓度、温度、压力或 电场力所引起。常见的是浓度差引起质量 传递过力学发展简史
• 第一阶段（17世纪中叶以前）：流体力学成为一门独立 学科的基础阶段
• 第二阶段（ 17世纪末-19世纪末）流体力学沿着两个方向 发展——理论、应用
• 第三阶段（20世纪初-20世纪中叶）理论分析与实验相结 合
• 第四阶段（20世纪中叶以来）流体力学飞跃发展
第一阶段（17世纪中叶以前）流体力学成为一门独 立学科的基础阶段
1452-1519年 达.芬奇——物体的沉浮、孔口出流、物体的 运动阻力以及管道、明渠中水流等
• 1586年 斯蒂芬——水静力学原理 • 1650年 帕斯卡——“帕斯卡原理” • 1686年 牛顿——牛顿内摩擦定律 • 1738年 伯努利——出版《流体动力学》，建立了伯努
利方程
第二阶段（17世纪末-19世纪末）流体力学沿着两个 方向发展——理论流体力学、应用流体力学
1.2流体力学（水力学）的主要研究内容
1. 流体在外力作用下，静止与运动的规 律；
关于流体平衡的规律，即流体静力学； 关于流体运动的规律，即流体运动学和流 体动力学；
2. 流体与边界的相互作用。
1.3与流体力学相关的工程领域和学科
空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关 联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领 域有着广泛的应用，其重要性不言而喻
化工传递过程基础
第一章 传递过程概论
本章主要论述流体流动的基本概念， 动量、热量与质量传递的类似性及衡算 方法等内容。
1. 传递过程基本概念
• 1.1 概论 系统状态：非平衡状态(传递物理现量象) 平衡状态
物理量： c, T, v…
传递种类：质量、能量、动量 时空间物理量的差异→ 梯度 →流体流动、
平衡过程和传递过程
• 热力学：研究热和其他形式的能量转换关 系，探讨平衡过程的规律，能否进行，到 何程度、如何影响
• 热力学平衡条件： 1. 热平衡：体系各部分温度相等 2.力学平衡：边界不发生相对移动 3.相平衡:相间没有物质转移 4. 化学平衡：体系组成不随时间变化
平衡过程和传递过程
1.动量传递过程：在流体中，若两个相邻的 流体层速度不同，则发生由高速层向低速 层的动量传递
气体的分子间距比液体大，在标准状态(0℃,101325Pa)下， 气体的平均分子间距约为3.3×10－6mm，其分子的平均直径
1.1流体的定义和特征
约为2.5×10－7 mm。分子间距比分子平均直径约大十倍。因 此，只有当分子间距缩小得很多时，分子间才会出现排斥力。 可见，气体是很容易被压缩的。此外，因气体分子间距与分子 平均直径相比很大，以致分子间的吸引力很微小，而分子热运 动起决定性作用，所以气体没有一定的形状，也没有固定的 体积，它总是能均匀地充满容纳它的容器而形成不了自由表 面。
1.4 与其他课程之间的联系 • 流体力学是继《高等数学》、《大学物理》《理论
力学》之后开设，同时又成为学习许多后续专业课 程计算流体力学和从事专业研究的必备基础。
• 高等数学要求复习掌握：微分（偏导数、导数）、 积分（曲面积分、定积分、曲线积分）、多元函数 的泰勒公式、势函数、微分方程。
• 理论力学要求复习掌握：质量守恒定律、能量守恒 定律、动量定律。
1.1流体的定义和特征
流体不能承受集中力，只能承受分布力。
流体的上述物理力学特性使流体力学（水 力学）成为宏观力学的一个独特分支。
1.1流体的定义和特征
流体与固体相比有以下区别：
(1)固体既能够抵抗法向力——压力和拉力，也能够抵抗 切向力。而流体仅能够抵抗压力，不能够承受拉力，也不能抵 抗拉伸变形。另外，流体即使在微小的切向力作用下，也很容 易变形或流动。