化工原理三传类比方法浅析.docx
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1、 化工原理三传类比方法浅析 化工原理把各种单元操作按理论基础归为动量传递、热量传递、质量传递三种传递过程,三传类比就是对流体流动中的三大传递过程采用类比的形式进行研究分析,这是化工原理阐释“三传”的主要方法。这种方法使单元操作原理更易于学习理解掌握。下面举例说明三传类比的分析方法。一、 传递本质类比(一)动量传递动量传递是由于流体层之间速度不等,动量将从速度大处向速度小处传递。(二)热量传递热量传递是流体内部因温度不同,有热量从高温处向低温处传递。(三)质量传递质量传递是因物质在流体内存在浓度差,物质将从浓度高处向浓度低处传递。在流体中的这三种传递现象,多是由于流体质点的随机运动所产生的。若流
2、体内部有温度差存在,当有动量传递的同时必有热量传递;同理,若流体内部有浓度差存在时,也会同时有质量传递。若没有动量传递,则热量传递和质量传递主要是因分子的随机运动产生的现象,其传递速率较缓慢。要想增大传递速率,需要对流体施加外功,使它流动起来。二、基础定律数学模型类比(一)动量传递的牛顿粘性定律根据实验测定,内摩擦力F与粘度、平板面积A,以及速度梯度 有如下关系:令 则 式中:内摩擦应力,Pa;流体的粘度,Pas;法向速度梯度,1/s。上式所表示的关系称为牛顿粘性定律。它的物理意义是流体流动时产生的内摩擦应力与法向速度梯度成正比。上式可改写为 , 为单位体积流体的动量, 为动量梯度。因此,剪应
3、力可看作单位时间单位面积的动量,称为动量传递速率,与动量梯度成正比。(二)热量传递的傅立叶定律物系内的温度梯度是热传导的推动力。傅立叶定律是热传导的基本定律,它表示热传导的速率与温度梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。即 或 图2:温度梯度与傅立叶定律式中:Q传热速率,W; 导热系数,W/(mK)或W/(m);A导热面积,垂直于热流方向截面积; 温度梯度,/m。式中的负号表示热流方向与温度梯度方向相反(三)质量传递的费克扩散定律当物质A在介质B中发生扩散时,任一点处物质A的扩散速率(通量)与该位置上A的浓度梯度成正比,即图3:两种气体相互扩散式中:JA组分A的扩散速率(扩散通量);组分A扩散
4、方向Z上浓度梯度;DAB比例系数,也称组分A在A、B双组分混合物系中的扩散系数,m2/s。 式中负号表示扩散沿着组分 浓度降低的方向进行,与浓度梯度方向相反。上式称为费克定律。它是描述物质分子扩散现象的基本规律。以上三个定律从公式的形式结构上,和理论的分析方法上都很相似三、 有效膜模型类比(一)对流传热的有效膜模型如图所示,当流体作层流流动时,在垂直于流体流动方向上的热量传递,主要以热传导的方式进行。而当液体为湍流流动时,无论流体主体的湍动程度多大,紧邻壁面处总有一薄层流体沿着壁面作层流流动(即层流底层),同理,此层内在垂直于流体流动方向上的热量传递,仍是以热传导方式为主。由于大多数流体的导热
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