第一章绪论化工传递过程基础

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'第一章绪论化工传递过程基础'
化工传递过程基础参考书:1 ?传递过程原理 天津大学等合编2. Momentum, Heat and Mass Transfer C. O. Bennett, J. E. Myers.绪论一、 化学工程学科的发展化学工程是以物理、化学和数学的原理为基础,研究化学工业和其他化学类 型工业生产过程中物质的转化,改变物质的组成、性质和状态的一门工程学科。它出现于19世纪下半叶,至20世纪20年代,从理论上分析和归纳了化学 类型(如:化工、冶金、轻工、医药、核能…)工业生产中的物理和化学变化的 过程。把复杂的工业生产过程归纳成为数不多的若干个单元过程(如粉碎、混合、 加热、焙烧、沉淀、结晶等),从而奠定了其科学基础。在以后的发展过程中,相继出现了化工热力学、化学反应工程、传递过程、 化工系统工程、化工过程动态系统控制等分支,使化学工程这门学科具备了更加 完整的系统性、统-性、科学性,成为化学类型工业生产发展的理论基础和指导。其发展过程经历了漫长的人类认识自然、改造自然、总结科学规律的过程。① 早期主要是针对不同的化工产品生产过程的描述的生产工艺学。如对制 盐、制糖、酿造等过程的描述。没有对各个生产过程中的共性规律进行 研究和归纳。② 后来,随着生产过程的复杂及规模的扩大,出现了介绍许多过程综合在 一起的生产工艺学(称为工业化学)。如制糖工业过程中的:粉碎、压榨、 结晶、过滤等。③ 至20世纪初(1901年),人们发现在许多生产工艺过程中,有些单个的 过程中的操作原理具有相似性,提出了 “单元操作” (Unit operation)o 这样把复杂的牛产过程分成数个单元操作。④ 至1957年,把化学类型工业生产过程分为两大类:物理变化的过程(Unit operation )。化学变化的过程一反应工程学科(Chemical Reaction Engineering)。⑤ 随着人们对单元操作的进一步认识,所有的单元操作中的原理可分为三 种即:Momentum Transfer ,Heat Transfer and Mass Transfero 最终,在 1960 年提出了传递过程。至此,化学工程学科中的问题,归纳成“三传一反”。⑥ 后来,随着计算机的发展,出现了研究化工过程的描述、优化、控制等 的学科一一化工系统工程。⑦ 1990年,有人提出了 “生态化工”的概念,专门研究生态系统中的化工 过程规律。二、本课程研究的内容① 研究三种传递本身内在的规律及描述这些规律的方法。解决各种传递 问题的基本方法。② 研究三种传递之间存在的共性,建立三种传递之间的联系,即三传类 比。具体内容为:1. 动量传递:讨论流体沿固体壁面流动时,由于流体的粘性,使流体内部产生相对运动, 而产生的速度分布、摩擦阻力大小及其计算。何为动量传递?当粘性流体层之间存在相对运动(或速度差or速度梯度),且由于流体分 子的布朗运动或湍流造成流体微团在垂直于流体流动方向上的运动,当高速度流 体层中的流体微团进入低速度的流体层中时,速度降下来,将其动量传递给低速 度的流体层。这一过程称为“动量传递”。与动量传递相关的单元操作有:流体输送,机械分离(如过滤)及固体流 态化等。2. 热量传递:讨论固体内部、流体与固体之间传热时的传热规律。温度分布、传热速率及 其影响因素。主要的单元操作有:传热、蒸发、干燥等。3 ?质量传递:讨论流体内部及相际间物质传递的规律。包括浓度分布、传质速率及其影响 因素。主要的单元操作有:吸收、精谓、溶解、结晶等。应该指岀:在实际的生产过程中,往往是三种传递过程同时存在,而且它们 之间相互影响。(如加热、搅拌条件下,固体物的溶解。则三种传递均存在。)三、“三传”之间的相似性:“三种传递”虽各有其遵循的规律,但它们之间乂存在着联系和相似性。 下面以流体与固体壁面之间的传递为例说明:两点假设:①流体与固体壁面之间的传递,只是由流体涡流的质点运动引起的,不考虑 分子扩散引起的各种传递,即在固体壁面附近只存在湍流层。 ②代表平均速度口”的流体层,与代表流体平均温度厶的流体层、平均浓度 的流体层在同一位置。下面考察、分析y处流体层与固体壁面Z间的各种传递速率:1 ?过程速率方程(rate equation of processes)根据化工原理知识可得到该层流体与壁面之间的传递速率。(1)动量传递速率流体与固体壁面之间的摩擦力即为动量传递速率0, m , mN =您?总严气二动量m2 nr m2 ? $ 而积?时间单位:m m?■ s动量面积?时间???壁面处:如,=02 2???几飞P%(2)热量传递速率qj——②根据牛顿冷却定律:%=呛”_几)(3)质量传递速率kg /(^m2 2.守恒定律:根据守恒定律,推出各种传递的速率。设在&时I'可内,有dU体积的流体,经过创面积,由处流体层运动至固体壁面处。(1) 动量平衡(momentum balance ).二%仏=u,PdV)二 p%dV w~ e(i\ ~ e(i\ ~ e(i\(2) 热量平衡(energy balance):MW—)c“~ed\(3)物质平衡(质量守恒定律)(Law of conservation of mass)N 二(5_S)dU側 0dA3.三种传递之间的相似性(类比关系式):①/②得:④/⑤得:⑦二⑧:即:2 _ a$ P%Cp-⑥-⑦-⑧——⑨ ①/③:④/⑥:(10) = (11):由⑼及(12)得:=12 => —8A _ a _ k8 P%Cp um(动)(热)(质)⑩(12)-(13)上式称为雷诺类比式,表达了三种传递之间的关系,由于这三种传递都是由 于流体质点的运动而引起的,所以它们之间必然存在着内在的联系。同时,这种类比为我们解决复杂的传热、传质所提供的一条捷径,可以把复 杂的问题以简单的方法得以解决。四、研究流体运动规律的两种方法:化工原理屮研究流体的各种传递现象,均是从宏观的角度上进行的,他不涉 及流体内部各微元体的运动行为。但本课程主要是从微观的角度上研究和描述流 体的运动及传递行为,并建立起描述方程。1. 拉格朗 口方法(LagarangeJ s Method):在流体屮任取一固定的流体质点(or流体微团),观察其经过一段时间,在 流体中所运动的轨迹,发现其规律,并建立其运动规律的运动方程。用以描述整 个流体的运动规律。2. 欧拉方法(Euler' s Method)在流体中任取一固定的位置点,观察经过该固定位置(在一段时间内),所 有经过该处流体质点所表现出来的运动规律,并建立流体质点的运动规律方程。 并由其描述所有流体质点的运动规律。五、传递现象的机理(The mecha
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