傳遞與分離課件01緒論+第一章.ppt

1、傳遞與分離,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ) 化工分離過(guò)程,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),Elementary Chemical Engineering Transfer Process,教學(xué)安排,介紹傳遞過(guò)程基本理論、基本公式和基本計(jì)算，重點(diǎn)在于思路； 結(jié)合一些例子介紹其應(yīng)用。 強(qiáng)化練習(xí)和備考 目標(biāo)：75%以上同學(xué)通過(guò)，大家一起努力！,一、化學(xué)工程發(fā)展的過(guò)程,化工工藝,單元操作,三傳一反,計(jì)算液體力學(xué) 計(jì)算傳熱學(xué) 計(jì)算傳質(zhì)學(xué) 可控化學(xué)反應(yīng),1 物理；2 化學(xué)； 3 數(shù)學(xué)； 4 單元操作； 5 數(shù)學(xué)模型； 6 計(jì)算機(jī)技術(shù)； 7 系統(tǒng)工程； 8 可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略； 9 生物學(xué)； 20 相鄰學(xué)科；11 新興學(xué)科。,傳遞過(guò)程是化

2、學(xué)工程學(xué)科的一個(gè)分支。這是因?yàn)榛瘜W(xué)工程學(xué)科所研究的兩大基本問(wèn)題：一是過(guò)程的平衡和限度；另一個(gè)是過(guò)程的速率以及實(shí)現(xiàn)過(guò)程所需的設(shè)備。,化學(xué)工程學(xué)科,化工熱力學(xué)(過(guò)程平衡、限度),化學(xué)反應(yīng)工程,化工單元操作(化工原理),化工傳遞過(guò)程,過(guò)程速率及實(shí)現(xiàn)設(shè)備,一、化學(xué)工程發(fā)展的過(guò)程,二、課程研究?jī)?nèi)容,制糖、釀酒、肥料、燒堿、石油、藥品,諸多化學(xué)問(wèn)題,單元操作 化工原理,三傳（傳遞原理）,傳遞現(xiàn)象是自然界和工程技術(shù)中普遍存在的現(xiàn)象。物理量朝平衡轉(zhuǎn)移的過(guò)程即為傳遞過(guò)程?！盎鬟f過(guò)程”課程是探討傳遞速率的課程。,蒸發(fā)、干燥、流體流動(dòng)、過(guò)濾、結(jié)晶,動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞,速率問(wèn)題,三、“化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ)”設(shè)課目的

3、和意義,本課程是化工原理課程的繼續(xù)和深入。 深入了解“傳遞過(guò)程”微觀(guān)機(jī)理、基本理論和計(jì)算方法，即三類(lèi)傳遞過(guò)程(動(dòng)量、能量、質(zhì)量)的基本概念、基本規(guī)律、基本物理現(xiàn)象以及計(jì)算方法； 學(xué)習(xí)一些新的方法： 動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞的類(lèi)似律； 數(shù)學(xué)公式的簡(jiǎn)化和數(shù)學(xué)模型的建立方法（運(yùn)用物理概念建立數(shù)學(xué)模型）。,四、傳遞過(guò)程的研究方法,1. 理論分析(三個(gè)階段) （1）確定簡(jiǎn)化的物理模型； （2）建立數(shù)學(xué)模型； （3）數(shù)學(xué)求解。 2. 數(shù)值計(jì)算 3. 實(shí)驗(yàn)研究 主要特點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谒芯繂?wèn)題完全相同或大體相同的條件下進(jìn)行觀(guān)測(cè)，因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果一般來(lái)說(shuō)是可靠的。 綜上，這三種方法各有利弊，互相補(bǔ)充。,五、課程的

4、特點(diǎn),數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，理論性強(qiáng)抽象、難懂 邏輯性強(qiáng)，前后關(guān)聯(lián)大。 學(xué)習(xí)以動(dòng)量傳遞為主。 有廣泛的用途,動(dòng)量傳遞：汽車(chē)、飛機(jī)外形，管道輸送 熱量傳遞：換熱器，電極煅燒。 質(zhì)量傳遞：反應(yīng)釜，反應(yīng)器 傳遞之間關(guān)系：冷模試驗(yàn),動(dòng)量傳遞的應(yīng)用,六、參考書(shū)籍 化工傳遞過(guò)程 天津大學(xué)編，化學(xué)工業(yè)出版社； 化工傳遞過(guò)程 王紹亭.陳濤編，化學(xué)工業(yè)出版社； 動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞天津科學(xué)技術(shù)出版社； 傳遞現(xiàn)象袁一等譯，化學(xué)工業(yè)出版社； 化工流體力學(xué)戴干策.陳敏恒編，化學(xué)工業(yè)出版社； 傳遞過(guò)程原理王運(yùn)東.駱廣生.劉謙編著，清華大學(xué)出版； 傳遞過(guò)程與單元操作丁金克普利斯著，清華譯，清華大學(xué)出版。,第一章 傳遞過(guò)程概論,動(dòng)量

5、、熱量和質(zhì)量傳遞是一種探討速率的科學(xué)，它們不僅可以用類(lèi)似的數(shù)學(xué)模型描述，而且描述三者的一些物理量之間還存在著某些定量關(guān)系，“類(lèi)似”與“定量”會(huì)使研究傳遞過(guò)程規(guī)律的問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。傳遞現(xiàn)象是普遍現(xiàn)象： 動(dòng)量、熱量、質(zhì)量 服從一定規(guī)律：從高強(qiáng)度區(qū)向低強(qiáng)度區(qū)轉(zhuǎn)移 三者有許多相似之處。,傳遞現(xiàn)象是普遍現(xiàn)象： 動(dòng)量、熱量、質(zhì)量 服從一定規(guī)律：從高強(qiáng)度區(qū)向低強(qiáng)度區(qū)轉(zhuǎn)移 三者有許多相似之處。,傳遞現(xiàn)象（Transport Phenomenon）,擴(kuò)散（Diffusion） 物質(zhì)傳遞,熱傳導(dǎo)（Thermal Conduction） 熱量傳遞,粘滯性（Viscosity） 動(dòng)量傳遞,傳遞現(xiàn)象擴(kuò)散（Diffusio

6、n）,擴(kuò)散（Diffusion） 物質(zhì)傳遞,傳遞現(xiàn)象熱傳導(dǎo)（Thermal Conduction）,熱傳導(dǎo)（Thermal Conduction） 熱量傳遞,粘滯性（Viscosity） 動(dòng)量傳遞,傳遞現(xiàn)象粘滯性（Viscosity）,傳遞現(xiàn)象（Transport Phenomenon）,總結(jié)： 從微觀(guān)成因看，物質(zhì)傳遞、熱量傳遞和動(dòng)量傳遞都是由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的，是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均行為。為與因流體整體運(yùn)動(dòng)引起的傳遞相區(qū)分，我們稱(chēng)上述三種傳遞現(xiàn)象為分子傳遞現(xiàn)象。,傳遞現(xiàn)象（Transport Phenomenon）,2. 三種傳遞現(xiàn)象具有類(lèi)似的唯象規(guī)律 以“通量”或“流”表示傳遞

7、的速率，其量綱為 物質(zhì)的量 熱 量 面積1 時(shí)間1 動(dòng) 量 引起傳遞的宏觀(guān)原因?yàn)椤疤荻取被蚍Q(chēng)之為“力”，其量綱為 濃 度 溫 度 長(zhǎng)度1 速 度 ,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),傳遞現(xiàn)象（Transport Phenomenon）,通量與梯度之間存在著函數(shù)關(guān)系，這一關(guān)系是傳遞現(xiàn)象動(dòng)力學(xué)的基本關(guān)系式。,在梯度不大的情況下，三種傳遞現(xiàn)象的通量與梯度之間均為正比關(guān)系。,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),流體是指具有流動(dòng)性的物體，包括液體和氣體。 流體輸送操作是化工生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍的單元操作。 流體流動(dòng)是其它化工過(guò)程的基礎(chǔ)。 在研究流體流動(dòng)時(shí)，常將流體看成是由無(wú)數(shù)分子集團(tuán)所組成的連續(xù)介質(zhì) 。 流體力學(xué) ：流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué),

8、1.1 流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),流體靜力學(xué)研究流體靜止或平衡的基本規(guī)律，以及這些規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用。在工程實(shí)際中的主要應(yīng)用如：流體在設(shè)備或管路內(nèi)壓強(qiáng)的變化與測(cè)量，液體在設(shè)備內(nèi)液位的測(cè)量，設(shè)備的液封等。,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),1.1 流體流動(dòng)導(dǎo)論,流體流動(dòng)導(dǎo)論,1、靜止液體的特性 （一）流體的密度,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),溫度對(duì)液體密度有一定影響，故選用密度數(shù)值時(shí)要注意所確定的溫度。 液體的比重是指在任何溫度下時(shí)液體的密度和水在4時(shí)密度之比值： S = /水 = /1000 混合液體 :,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),氣體密度： 1）氣體的密度隨壓力和溫度變化很大，按照理想氣體狀態(tài)方程式近似計(jì)算 :

9、 PV=nRT=m/V=PM/RT 2）理想氣體標(biāo)況時(shí) :0=M/22.4 kg/m3 3）當(dāng)已知?dú)怏w標(biāo)況密度0 ：=0T0/TP/P0 4）混合氣體 ：=PM均 /RT m = AxVA + BxVB + + NxVN,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),例1-1 已知硫酸與水的密度分別為1830kg/m3與998kg/m3，試求含硫酸為60%(質(zhì)量)的硫酸水溶液的密度。,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),例1-1 已知硫酸與水的密度分別為1830kg/m3與998kg/m3，試求含硫酸為60%(質(zhì)量)的硫酸水溶液的密度。,解：應(yīng)用混合液體密度公式，則有,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),例1-2 已知干空氣的組

10、成為：O221%、N278%和Ar1%(均為體積%)。試求干空氣在壓力為9.81104Pa、溫度為100時(shí)的密度。,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),例1-2 已知干空氣的組成為：O221%、N278%和Ar1%(均為體積%)。試求干空氣在壓力為9.81104Pa、溫度為100時(shí)的密度。,解： 首先將攝氏度換算成開(kāi)爾文： 100273+100=373K 求干空氣的平均分子量： Mm My1 + M2y2 + + Mnyn Mm =32 0.21+28 0.78+39.9 0.01 =28.96,氣體的平均密度為：,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),（二）可壓縮流體與不可壓縮流體 不可壓縮性（液體；固體） 可壓縮

11、流體（氣體）,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),（三）流體的壓力 表壓 真空度,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),靜止流體中任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力，由于該壓力產(chǎn)生在靜止流體中，因而稱(chēng)為靜壓力。單位面積上所受的靜壓力，稱(chēng)為流體靜壓強(qiáng)。 p =P/A N/m2(Pa) 使界面的面積縮小并趨于一點(diǎn) ：,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),流體靜壓強(qiáng)的特征： 1）流體靜壓強(qiáng)的方向總是和作用的面相垂直，并指相所考慮的那部分流體的內(nèi)部，即沿著作用面的內(nèi)法線(xiàn)方向。 2）靜止流體內(nèi)部任何一點(diǎn)處的流體靜壓力，在各個(gè)方向都相等。 3）在流體與固體接觸的表面，不論器壁的方向形狀如何，流體靜壓力總是垂直于器壁

12、。,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),流體靜壓強(qiáng)的單位 在SI制中壓力單位Pa :1kPa=103Pa=106mPa 設(shè)容器底面積為Am2液柱高h(yuǎn)m，液體密度 kg/m3，則液體作用在底面的力為P N等于液柱重量： P=mg=Ahg N 作用在單位底面上的壓力： p=P/A=hg N/m2 當(dāng)液體一定，P、g一定為常數(shù)，所以可用高度h的大小表示壓力P的大小： h=p/g m,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),常用壓力單位的換算,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),1bar=105Pa=1.013at=750mmHg=10.13H2O,注意:用液柱高度表示壓強(qiáng)單位時(shí),務(wù)必說(shuō)明液柱名稱(chēng)。如600mmHg、

13、10mH2O等。,絕對(duì)壓強(qiáng) 以絕對(duì)零壓作起點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)，是流體的真實(shí) 壓強(qiáng)。 表壓強(qiáng)壓強(qiáng)表上的讀數(shù)，表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值，即: 表壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng) 真空度 真空表上的讀數(shù)，表示被測(cè)流體的絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的數(shù) 值，即:真空度大氣壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng),注意: 1)由于各地大氣壓不同，故會(huì)有總 壓相同，但表壓卻不同 2)有時(shí)用mmHg表示真空度 3)如用表壓，真空度表示壓強(qiáng)，必須要說(shuō)明；如不特別說(shuō)明一般認(rèn)為是絕對(duì)壓強(qiáng)。,（四）流體平衡微分方程 作用在流體上的力： 內(nèi)力：流體內(nèi)部分子間的相互作用力，分子間引力，壓力，內(nèi)摩擦力，它們?cè)诹黧w內(nèi)部，對(duì)所研究的那塊流體來(lái)講是相互平衡的，對(duì)

14、流體的運(yùn)動(dòng)是沒(méi)有影響的。 外力：外界作用于所研究的那塊流體的力。外力分表面力和質(zhì)量力兩種，流體運(yùn)動(dòng)的情況取決于外理。,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),（四）流體平衡微分方程 質(zhì)量力（體積力）：作用在所研究的流體各個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的一種力，其大小與質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量成正比，對(duì)均質(zhì)流體來(lái)說(shuō)，也與流體的體積成正比，故亦稱(chēng)體積力。 表面力：作用在所研究的那塊流體表面上的力稱(chēng)表面力，屬于這種力的有與該表面垂直的法向力以及與該表面相切的切向力，法向力即壓力。,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),（五）流體靜力學(xué)基本方程式,(1) 對(duì)靜止的流體中任取的一微元立方體進(jìn)行受力分析, 作用于微元流體上的表面力,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ), 作

15、用于微元流體上的質(zhì)量力,(2) 歐拉方程和流體靜力學(xué)方程式 流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，在各方向上：,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),同理：,寫(xiě)成矢量形式,流體平衡微分方程式，1755年由歐拉（Euler）首推出，又稱(chēng)歐拉平衡微分方程式。方程物理意義：在靜止流體中，某點(diǎn)單位質(zhì)量流體的質(zhì)量力與靜壓強(qiáng)的合力相平衡。在推導(dǎo)這個(gè)方程中，除了假設(shè)是靜止流體以外，其他參數(shù)(質(zhì)量力和密度),幾種算法符號(hào)及意義,哈米爾頓（Hamilton)算子： 梯度 散度：,重力場(chǎng)中的壓力分布,表明： 靜止流體在同一水平面上的壓力是相等的。,注意：以上方程僅適用于重力場(chǎng)中靜止的不可壓縮流體,代入邊界條件并積分得：,當(dāng)流體所受的質(zhì)量力僅為重力時(shí)：,

16、故有：, 等壓面 定義: 靜止、連續(xù)的均質(zhì)流體，處于同一水平面上的各點(diǎn)壓力相等,關(guān)于靜力學(xué)方程的討論,實(shí)例：,等壓面概念, p0變化某一數(shù)值，則 p改變同樣大小數(shù)值壓力的可傳遞性,或,重力場(chǎng)中的壓力分布, 靜止流體內(nèi)部，各不同截面上的壓力能和勢(shì)能兩者之和為常數(shù)。, 靜力學(xué)方程的幾種不同形式,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),（一）流速與流率1、流速,流體流動(dòng)的基本概念,流體流動(dòng)導(dǎo)論,實(shí)驗(yàn)證明，流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于流體具有粘性，管道橫截面上流體質(zhì)點(diǎn)速度是沿半徑變化的。管道中心流速最大，愈靠管壁速度愈小，在緊靠管壁處，由于液體質(zhì)點(diǎn)粘附在管壁上，其速度等于零。,質(zhì)點(diǎn)的流速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)

17、的距離。,流體流動(dòng)導(dǎo)論,平均速度: 一般以管道截面積除體積流量所得的值，來(lái)表示流體在管道中的速度。此種速度稱(chēng)為平均速度，簡(jiǎn)稱(chēng)流速。 uVs/A,流量與流速關(guān)系為： w=Vs=Aub 式中 A 管道的截面積，m2,2）質(zhì)量流量 (mass flow rate) w, kg/s 單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的質(zhì)量，稱(chēng)為質(zhì)量流量，以w表示，其單位為kg/s。體積流量與質(zhì)量流量之間的關(guān)系為： w=Vs,1）體積流量 （volumetric flow rate）V, m3/s 單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的體積，稱(chēng)為體積流量，以Vs表示，其單位為m3/s。,流率（流量）,穩(wěn)定流動(dòng)(steady fl

18、ow) ：流體在管道中流動(dòng)時(shí)，在任一點(diǎn)上的流速、壓力等有關(guān)物理參數(shù)都不隨時(shí)間而改變。,不穩(wěn)定流動(dòng)(unsteady flow) ：若流動(dòng)的流體中，任一點(diǎn)上的物理參數(shù)，有部分或全部隨時(shí)間而改變。,穩(wěn)定流動(dòng)（穩(wěn)定流動(dòng)）與不穩(wěn)定流動(dòng),流體流動(dòng)導(dǎo)論,流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱(chēng)為粘性。,流體粘性越大，其流動(dòng)性就越小。從桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，這是因?yàn)楦视土鲃?dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力比水大的緣故。,（三）粘性定律和粘度,流體流動(dòng)導(dǎo)論,運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于分子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的相互作用力，稱(chēng)為流體的內(nèi)摩擦力或粘滯力。流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力的大小，體現(xiàn)了流體粘性的大小。,設(shè)有上下兩塊平行放置而相

19、距很近的平板，兩板間充滿(mǎn)著靜止的液體，如圖所示。,實(shí)驗(yàn)證明，兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（或稱(chēng)為剪應(yīng)力）與垂直于流動(dòng)方向的速度梯度成正比。,u/y表示速度沿法線(xiàn)方向上的變化率或速度梯度。,式中為比例系數(shù)，稱(chēng)為粘性系數(shù)，或動(dòng)力粘度（viscosity），簡(jiǎn)稱(chēng)粘度。,上式所表示的關(guān)系，稱(chēng)為牛頓粘性定律（Newtons law of viscosity)。,流體流動(dòng)導(dǎo)論,u與y也可能時(shí)如右圖的關(guān)系，則牛頓粘性定律可寫(xiě)成：,粘度的單位為Pas 。常用流體的粘度可查表。,粘性是流體的基本物理特性之一。任何流體都有粘性， 粘性只有在流體運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。,粘度的單位為:,Ns/m2（或Pas）、P、

20、 cP與的換算關(guān)系為,2、動(dòng)力粘度 運(yùn)動(dòng)粘度：流體粘度與密度之比稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)粘度，用符號(hào)表示 /,其單位為m2/s。而CGS單位制中，其單位為cm2/s，稱(chēng)為斯托克斯，用符號(hào)St表示。,各種液體和氣體的粘度數(shù)據(jù)，均由實(shí)驗(yàn)測(cè)定?？稍谟嘘P(guān)手冊(cè)中查取某些常用液體和氣體粘度的圖表。,溫度對(duì)液體粘度的影響很大，當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，而氣體的粘度增大。壓力對(duì)液體粘度的影響很小，可忽略不計(jì)，而氣體的粘度，除非在極高或極低的壓力下，可以認(rèn)為與壓力無(wú)關(guān)。,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),（四）粘性流體與理想流體 完全沒(méi)有粘性即=0的流體稱(chēng)為理想流體。 （五）非牛頓型流體,流體流動(dòng)導(dǎo)論,n=1, 牛頓流體 n1，非牛頓流體

21、,牛頓型流體(Newtonian fluid)：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系完全符合牛頓粘性定律的流體，如水、所有氣體都屬于牛頓流體。,為表觀(guān)粘度，非牛頓流體的與速度梯度有關(guān),非牛頓型流體 (non-Newtonian fluid)：不服從牛頓粘性定律的流體，如泥漿、某些高分子溶液、懸浮液等。對(duì)于非牛頓型液體流動(dòng)的研究，屬于流變學(xué)(rheology)的范疇。,a. 牛頓流體，n=1； b. 假塑性流體, n1； d.賓漢塑性流體,牛頓型流體與非牛頓型流體,1.牛頓型流體； 2.脹塑性流體， 如漿糊，云母懸浮液，流沙； 3.假塑性流體， 如油漆、紙漿、高分子溶液； 4.塑性流體， 如泥漿、污水、有機(jī)膠

22、體等。,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),賓漢塑性流體（Bingham fluid） 干酪、巧克力漿、肥皂、紙漿、泥漿等,假塑性流體（pseudoplastic fluid） 蛋黃醬、血液、番茄醬、果醬、高分子溶液等,脹塑性流體（dilatant fluid） 淀粉溶液、蜂蜜、濕沙等,牛頓流體（ Newtonian fluid） 氣體、水、酒、醋、低濃度牛乳、油等,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),觸變性流體（thixotropic fluid） 高聚物溶液、油漆等,流凝性流體（rheopetic fluid） 某些溶膠、石膏懸浮液等,粘彈性流體 面粉團(tuán)、瀝青、凝固汽油、凍凝膠等,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),指數(shù)律流體（power l

23、aw） 牛頓流體、假塑性流體和脹塑性流體的統(tǒng)稱(chēng)。,k為 稠度指數(shù) n為流變指數(shù),稠度指數(shù)k的因次與n有關(guān)。,當(dāng)n=1時(shí)，流體為牛頓流體，稠度指數(shù)k的因次與牛頓流體的粘度相同。,當(dāng)n1時(shí)，流體為非牛頓流體，稠度指數(shù)k的因次與粘度的因次不同。此時(shí)k為流體的表觀(guān)粘度，n表示流體的非牛頓性程度。,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),（六）流體流動(dòng)類(lèi)型與雷諾準(zhǔn)數(shù),化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),5.2.2 兩種流動(dòng)型態(tài),管內(nèi)層(滯)流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)沿管軸作有規(guī)則的平行運(yùn)動(dòng)，而無(wú)直徑方向上的徑向運(yùn)動(dòng)，即各質(zhì)點(diǎn)互不碰撞，互不混合。 流體可以看作是無(wú)數(shù)同心圓筒薄層一層套一層作同向平行運(yùn)動(dòng)。,5.2.2.1 層流（或滯流、粘流）,5.2.2.2

24、 湍流（或紊流）,流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。 化工單元操作中的流動(dòng)大多數(shù)為湍流。,過(guò)渡流： 當(dāng)流體的流動(dòng)型態(tài)介于層流及湍流之間時(shí)，流體的流動(dòng)型態(tài)可是層流也可能是湍流，受流體流動(dòng)干擾的控制，習(xí)慣稱(chēng)為過(guò)渡流。,流體流動(dòng)型態(tài)錄象,流速小時(shí)，有色流體在管內(nèi)沿軸線(xiàn)方向成一條直線(xiàn)。表明，水的質(zhì)點(diǎn)在管內(nèi)都是沿著與管軸平行的方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，各層之間沒(méi)有質(zhì)點(diǎn)的遷移。,當(dāng)開(kāi)大閥門(mén)使水流速逐漸增大到一定數(shù)值時(shí)，有色細(xì)流便出現(xiàn)波動(dòng)而成波浪形細(xì)線(xiàn)，并且不規(guī)則地波動(dòng)；,速度再增，細(xì)線(xiàn)的波動(dòng)加劇，整個(gè)玻璃管中的水呈現(xiàn)均勻的顏色。顯然，此時(shí)流體的

25、流動(dòng)狀況已發(fā)生了顯著地變化。,流體流動(dòng)導(dǎo)論,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),流體流動(dòng)狀態(tài)類(lèi)型,過(guò)渡流： 流動(dòng)類(lèi)型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。過(guò)渡流不是一種流型。,湍流(turbulent flow)或紊流: 當(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)除了沿著管道向前流動(dòng)外，各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在大小和方向上都會(huì)發(fā)生變化，質(zhì)點(diǎn)間彼此碰撞并互相混合，這種流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為湍流或紊流。,層流(laminar flow)或滯流(viscous flow): 當(dāng)流體在管中流動(dòng)時(shí)，若其質(zhì)點(diǎn)始終沿著與管軸平行的方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間沒(méi)有遷移，互不混合，整個(gè)管的流體就如一層一層的同心圓筒在平行地流動(dòng)

26、。,化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ),影響流體流動(dòng)類(lèi)型的因素： 流體的流速u(mài) ； 管徑d； 流體密度； 流體的粘度。,u、d、越大，越小，就越容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。上述中四個(gè)因素所組成的復(fù)合數(shù)群du/，是判斷流體流動(dòng)類(lèi)型的準(zhǔn)則。,這數(shù)群稱(chēng)為雷諾準(zhǔn)數(shù)或雷諾數(shù)(Reynolds number)，用Re表示。,雷諾準(zhǔn)數(shù)的因次,Re數(shù)是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群。,流體流動(dòng)導(dǎo)論,大量實(shí)驗(yàn)表明： Re2000，流動(dòng)類(lèi)型為層流； Re10000，流動(dòng)類(lèi)型為湍流； 2000Re10000，流動(dòng)類(lèi)型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。,在兩根不同的管中，當(dāng)流體流動(dòng)的Re數(shù)相同時(shí)，只要流體邊界幾何條件相

27、似，則流體流動(dòng)狀態(tài)也相同。這稱(chēng)為流體流動(dòng)的相似原理。,流體流動(dòng)導(dǎo)論,（七）動(dòng)量傳遞現(xiàn)象 動(dòng)量通量,流體流動(dòng)導(dǎo)論,一、現(xiàn)象定律 1. 概念 （1） 分子傳遞 由分子的微觀(guān)運(yùn)動(dòng)所引起的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞 (層流情況下) 。 （2） 渦流傳遞 由渦流混合形成的流體微團(tuán)的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)所引起的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞(湍流情況下)。 （3） 現(xiàn)象定律 由分子傳遞產(chǎn)生的動(dòng)量傳遞 牛頓粘性定律 由分子傳遞產(chǎn)生的熱量傳遞 傅立葉定律 由分子傳遞產(chǎn)生的質(zhì)量傳遞 費(fèi)克第一定律(分子擴(kuò)散定律),第二節(jié) 動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的類(lèi)似性,一、現(xiàn)象定律 2. 牛頓粘性定律(Newtons law of viscosity),牛頓

28、型流體與非牛頓型流體,（1）牛頓型流體； （2）脹塑性流體， 如漿糊，云母懸浮液，流沙； （3）假塑性流體， 如油漆、紙漿、高分子溶液； （4）塑性流體， 如泥漿、污水、有機(jī)膠體等。,牛頓型流體與非牛頓型流體,一、現(xiàn)象定律 3. 傅立葉定律(Fouriers law),一、現(xiàn)象定律 4. 費(fèi)克定律(Ficks law) 對(duì)于兩組分系統(tǒng)，分子擴(kuò)散所產(chǎn)生的質(zhì)量通量為：,二、動(dòng)量、熱量與質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式 1. 動(dòng)量通量,由此知：剪應(yīng)力為單位時(shí)間(s)通過(guò)單位面積(m2)的動(dòng)量，故剪應(yīng)力可表示動(dòng)量通量。,2. 熱量通量 對(duì)于物性常數(shù)k，cP和均為定值的導(dǎo)熱問(wèn)題，傅立葉定律可改寫(xiě)成下式：,二、動(dòng)量、

29、熱量與質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式 1. 動(dòng)量通量,2. 熱量通量,二、動(dòng)量、熱量與質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式,3. 質(zhì)量通量,二、動(dòng)量、熱量與質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式,（1） 三類(lèi)分子傳遞過(guò)程可以用一個(gè)通式來(lái)描述；,（2）動(dòng)量、熱量和質(zhì)量三個(gè)的擴(kuò)散系數(shù)v、和DAB具有相同的因次m2/s，且只是狀態(tài)函數(shù)，與傳遞的物理量或梯度無(wú)關(guān)； （3）通量為向量，其方向與該量的梯度方向相反，故有“-”。,二、動(dòng)量、熱量與質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式,4. 結(jié)論,三、渦流傳遞的類(lèi)似性 1. 對(duì)于渦流動(dòng)量通量，可寫(xiě)成：,2. 對(duì)于渦流熱量通量，可寫(xiě)成：,3. 對(duì)于渦流質(zhì)量通量，可寫(xiě)成：,三、渦流傳遞的類(lèi)似性 4. 綜合起來(lái),要點(diǎn)總結(jié),掌握三個(gè)定律以及它們之間的相似性： 牛頓粘性定律、 傅里葉定律、 費(fèi)克定律。 分子傳遞與渦流傳遞。,第二節(jié) 動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的類(lèi)似性,總衡算與微分衡算一般步驟： 選擇控制體（Control Volume)，可大可小 分析控制體與外界之間關(guān)系