02487传递与分离（自考资料）

高纲1199
 
02487　传递与分离
 
南京工业大学编

 
 自学教材与参考书
    教材1：
    陈涛，张国亮.《化工传递过程基础》，北京：化学工业出版社（第三版），2009年
    参考书：
    ①王运东，骆广生，刘谦.《传递过程原理》，北京：清华大学出版社，2002年
    ②沙庆云.《传递原理》，大连：大连理工大学出版社，2003年
    教材2：
    陈洪钫，刘家祺. 《化工分离过程》，北京：化学工业出版社，1995年
    参考书：
    贾绍义.《化工传质与分离过程》，北京：化学工业出版社，2001年

一、 课程的性质及其设置目的与要求

（一）本课程性质和设置目的
    “传递与分离”是化学工程分支学科之一。它包含化工传递过程基础和化工分离过程两部分内容，着重阐述动量、能量、质量的传递实质和规律，研究化工过程中的强度量分布和传递通量。阐述了常用的分离过程的基本理论，过程特点，建立了数学模型及其求解方法，讨论了分离设备的处理能力和效率。本课程是化工过程研究，设计和开发的理论基础，是化学工程专业基础课，是化学工程与工艺专业学生的必修课程。
    通过本门课程的学习将达到如下两个基本目的。第一，深入了解和掌握传递过程和传质分离过程的现象、机理和数学模型。第二，初步具备能运用所学的传递及分离理沦知识对化学工程的生产、实验、研究进行分析的基本能力，对常见的传离与分离设备进行有关的设计计算，为从事化工类专业实际工作奠定必要的理论基础。
    （二）本课程的基本要求
通过本门课程的学习，对“化工传递过程”要求能掌握：粘性流体的动基传递、热量传递和质量传递(以下简称三传)的微分衡算方程；根据给定的边界条件对方程进行简化、求解，并对所求结果的实际运用进行分析讨论。对“化工分离过程”要求掌握：常用分离过程的基本原理，过程特点，数学模型及求解方法；了解多组分多级分离过程的分析；着重掌握简捷计算方法；了解新型分离技术。
    通过自学，切实掌握有关的基本概念、基本原理、基本求解方法以及基本计算方法。
（三）本课程与相关课程的联系
本课程是将大学的“化工传递过程”和“化工分离过程”两门课程合二为一。因此本课程以“高等数学"、“大学物理”、 “物理化学”、“化工原理”、“化工热力学”等为先修课程。这些课程可以帮助我们更好地掌握传递与分离的基本原理、基本方程、基本知识。
 

二、课程内容与考核目标

第一篇  化工传递过程
第一章  传递过程概论
    （一）课程内容
    本章简要的介绍了传递的一些共性问题过程，包括：流体流动导论；动量、热量与质量传递的类似性；传递过程的衡算方法。
（二）学习要求
了解本门课程中描述流体流动的一些术语及定义，流体平衡微分方程和静力学方程，传递过程的研究对象。分子传递和涡流传递的基本定律和通量基本表达式。微分衡算方法。本章对总衡算不做要求。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：本章中有关传递过程常用的术语。
2、掌握：分子传递唯象律表达式和涡流传递唯象律表达式及各项物理意义。
3、熟练掌握：传递通量的表达式。
 
第二章  动量传递概论与动量传递微分方程
（一）课程内容
本章简要介绍了动量传递概论、随体导数、连续性方程、运动方程。
（二）学习要求
通过本章学习，要求深刻理解并掌握：①动量的分子传递与涡流传递方程和传递系数，②随体导数与偏导数、全导数的区别，③连续性方程的建立，连续性方程的分析和简化、柱坐标和球坐标系下的连续性方程形式，④用速度表示的运动方程—奈维-斯托克斯方程和柱、球坐标系下的奈维-斯托克斯方程。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：动量分子传递与涡流传递方程的物理意义，连续性方程和运动方程推导和使用场合。
2、掌握：连续性方程和运动方程的表达式和方程表达式各项的物理含义；随体导数概念。
3、熟练掌握：直角坐标、柱坐标、球坐标下的连续性方程和运动方程的分析、简化、运用。
 
第三章  动量传递方程的若干解
（一）课程内容
本章介绍了与动量传递密切相关的摩擦系数定义，介绍了动量传递方程的具体2个运用例子：沿平板稳态层流和圆直管内稳态层流的解例。
（二）学习要求
通过本章学习，要求掌握动量传递方程在直角和柱坐标下的表达式。爬流、势流、平面流知识点做一般了解。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：不同摩擦系数定义和含义，动量传递方程的简化。
2、掌握：学会对具体问题的简化分析求解，理解和掌握例3-2至例3-7。
3、熟练掌握：动量传递方程的简化和速度分布和应力分布的计算。
 
第四章  边界层流动
（一）课程内容
    本章介绍了边界层概念（边界层理论要点，边界层的形成过程，边界层厚度定义）；普朗特边界层方程；边界层积分动量方程；边界层分离概念；管道进口段的流体流动。
（二）学习要求
通过本章学习，要求掌握边界层形成、发展、分离等概念；掌握边界层积分动量方程的推导过程和方程近似解的运用。普朗特边界层方程及其精确解做一般了解。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：边界层理论、边界层的形成、边界层分离、边界层厚度等概念，看懂图4-1、图4-2；了解管道进口段的流体流动特点看懂图4-5。
2、掌握：边界层积分动量方程的推导过程和方程近似解的运用，理解和掌握例4-4至例4-5。
3、熟练掌握：速度边界层概念，边界层积分动量方程近似解的具体（边界层厚度、速度分布、阻力）运用。
第五章  湍  流
（一）课程内容
本章介绍了湍流概念（湍流特点、起因、表征），湍流时的运动方程，普朗特混合长理论，圆管中的湍流，平板湍流近似解。
（二）学习要求
通过本章学习，要求掌握湍流特点及表征，沿平板流动时湍流边界层，通用速度方程。本章对湍流时的运动方程推导、湍流的半经验理论、无界固体湍流、量纲分析做一般了解。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：湍流的特点、起因（看懂图5-2，图5-3，图5-4）及表征（看懂图5-5，例5-1）；瞬时量、脉动量和时均量；混合长及动量涡团传递理论。
2、掌握：沿平板湍流流动时边界层方程，通用速度方程，理解和掌握例5-2，例5-4。
3、熟练掌握：通用速度方程解的具体运用，沿平板湍流流动时边界层方程解的具体运用。
 
第六章  热量传递概论与能量方程
（一）课程内容
本章介绍了热量传递的基本方式，能量微分方程的建立，柱、球坐标系下能量微分方程形式。
（二）学习要求
通过本章学习，要求掌握传热的三种方式及机理，能量方程。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：传热的三种方式。
2、掌握：不同坐标系下的能量方程表达式，根据已知条件对能量方程进行简化。理解和掌握例6-1，例6-2。
 
第七章  热传导
（一）课程内容
本章介绍了热传导的基本微分方程，稳态热传导、非稳态热传导，速算图及多维热传导(New mare法则)。
（二）学习要求
通过本章学习，要求掌握一维稳态热传导、不稳态热传导、速算图及多维热传导(New mare法则)。本章对二维稳态热传导、一维不稳态导热的数值解做一般了解。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：毕涡特数Bi(Biot Number)的定义及物理意义；三类边界条件的分类、识别、互相转换关系；各坐标系下的速算图的运用及图中各个参数的含义。
2、掌握：温度随时间、地点的分布规律：求出热量通量(单位面积所传递的热量，J／m².s)和传热速率(J／S)，学会图7-8、图7-9、图7-10的使用，理解和掌握例7-1，例7-2，例7-3，例7-4，例7-5，例7-7，例7-8，例7-9，例7-10，例7-12，例7-13。
3、熟练掌握：集总热容法的判别和正确运用；无限大物体不稳态导热的计算；大平板的不稳态导热要求会用速算图求解。
 
第八章  对流传热
（一）课程内容
本章以前面的运动方程、连续性方程和能量方程为基础，解释对流传热的机理，探讨对流传热的基本规律，并重点研究对流传热系数的计算。
（二）学习要求
通过本章学习了解对流传热在工程技术中的重要地位。掌握对流传热机理、对流传热系数定义、边界层能量方程、管内湍流传热的类似律。本章对管内层流传热的理论分析、层流传热精确解、量纲分析和自然对流做一般了解。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：温度边界层概念，看懂图8-1，图8-2，图8-3，图8-4，图8-6，领会传递类似率的含义（尤其是对柯尔本类似率）、混合边界层概念。
2、掌握：对流传热系数和传热速率的计算，理解和掌握例8-2，例8-3，例8-8。
3、熟练掌握：平板壁面上湍流的近似解。
 
第九章  质量传递概论与传质微分方程
（一）课程内容
本章介绍了质量传递的基本方式、传质的速度与通量以及传质微分方程等问题。
（二）学习要求
通过本章学习，要求掌握质量传递的基本概念；质量传递的微分方程。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：分子扩散传质与对流传质的概念与机理，浓度、速度与通量的定义，质量传递微分方程的建立
2、掌握：质量基准、摩尔基准两种基准下的浓度、速度、通量的表达式；同种基准和不同基准下浓度、速度和通量的互相转换关系；双组分混合物扩散传质时，总通量、扩散通量，组元传质量的表达式；各项对流传质贡献；通量之间的关系，通量与对应速度的关系，不同基准之间的转换方法。
 
第十章  分子传质
（一）课程内容
本章介绍了在不流动的流体介质中或固体中由于分子扩散引起的质量传递问题。分子扩散按扩散介质分为气体中的扩散、液体中的扩散及固体中的扩散，重点讨论气体中的稳态扩散。
（二）学习要求
通过本章学习，要求学会气、液、固体分子扩散系数计算方法；浓度分布和通量的计算。对流传质系数关联式。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：气体、液体、固体分子扩散系数计算方法、测定方法以及各自与温度、压力、体系和浓度的关系。
2、掌握：气体、液体、固体分子扩散机理，浓度分布和通量的计算，理解和掌握例10-1，例10-2，例10-3，例10-4，例10-5，例10-6，例10-7，例10-8，例10-8，例10-9，例10-10。
3、熟练掌握：气体分子扩散机理；组分A通过静止组分B的稳态扩散传质(N_B=0)）；等摩尔反向稳态扩散传质(N_A=N_B)；伴有化学反应的分子扩散过程。
 
第十一章  对流传质
（一）课程内容
本章介绍了对流传质所涉及的流体与界面之间的物质传递问题。涉及浓度边界层的概念与温度、速度边界层的区别；对流传质系数定义；沿平板层流传质的精确解和近似解；沿圆管层流传质的精确解和近似解；湍流传质的类比解沿平板湍流传质的近似解；相际传质理论。
（二）学习要求
通过本章学习，要求掌握对流传质机理及对流传质系数定义式；浓度边界层；平板对流传质的近似解，掌握对流传质模型（包括停滞膜模型、溶质渗透模型、表面更新模型）机理和计算公式。有壁面速度影响的传质不作要求。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：对流传质机理，浓度边界层，对流传质模型，湍流下的质量传递类比解。
2、掌握：平板对流传质的近似解的求解和相际传质理论的概念，物理意义与模型的计算。模型指：双膜模型、溶质渗透模型和表面更新模型，理解和掌握图11-1，图11-2，图11-5，图11-7，例11-1，例11-2，例11-3，例11-4，例11-5，例11-7，例11-8，例11-9。
3、熟练掌握：平板对流传质的近似解和双膜模型、渗透模型、表面更新模型。
 
第二篇  化工分离过程
第一章  绪论
（一）课程内容
介绍分离工程在化工生产中的重要性；传质分离过程的分类和特征；分离过程的的任务与内容。
（二）学习要求
了解分离过程的两大类：机械分离和传质分离。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：化工分离是在前述课程基础上研究化工生产实际中复杂物系的分离和提纯技术。它将从分离过程的共性出发，讨论各种分离方法的特征。
2、掌握：平衡分离过程的分离单元操作分类和特征和速率分离过程的分离单元操作分类和特征（表1-1）。
 
第二章  单级平衡过程
（一）课程内容
本章着重阐述分离传质基础—相平衡。相平衡是用于阐述混合物分离原理、传质推动力和进行设计计算的依据和关键。结合化工热力学，回顾、熟悉有关与相平衡相关的基本概念及术语；泡点、露点及闪蒸的概念；理想与非理想溶液定义及表达，理想与非理想气体定义及表达。介绍相平衡关系和相平衡常数的常用计算方法；多组分物系的泡点和露点计算；闪蒸过程的计算。
（二）学习要求
通过本章学习要求在掌握：汽液平衡和溶液平衡条件；相平衡常数的计算；多组分的泡点温度、压力和露点温度和压力的计算；闪蒸过程的计算。多组分平衡常数计算，绝热闪蒸做一般要求，程序设计不做要求。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：平衡条件、相平衡常数、逸度及逸度系数、活度及活度系数、泡点、露点、闪蒸等的概念。
2、掌握：状态方程求取相平衡常数、活度系数法求取相平衡常数及其各种简化形式。理解和掌握，例2-1，例22-2，例2-3，例2-4，例2-5，例2-8，例2-9。
3、熟练掌握：相平衡常数的计算；泡点、露点的温度和压力计算；闪蒸计算。
 
第三章  多组分多级分离过程分析与简捷计算
（一）课程内容
在化工生产实际中，遇到更多的是含有多组分或复杂物系的分离和提纯问题，而不是化工原理中所涉及的双组分或单组分体系，这就增加了过程的复杂性。因此本章的学习将有助于对各种实际分离过程的深入理解，是本篇不可少的基础知识。本章设计设计变量、多组分精馏过程的分析、萃取精馏和共沸精馏等特殊精馏的分析、物理吸收和化学吸收的分析、萃取分离过程的分析。
（二）学习要求
通过本章学习要求掌握多组分精馏过程分析，包括：塔内流量分布、浓度分布和温度分布；萃取精馏过程原理分析，包括：塔内流量分布、溶剂浓度分布；共沸精馏过程原理分析，包括：塔内组分分析、温度分析；多组分吸收和蒸出过程分析，包括：塔内组分分布、温度分布。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：对于多组分级分离过程的定性分析的了解，有助于对各种分离过程的理解，这也是设计和强化操作的所不可少的基础知识，为此要求掌握：基本概念。在回顾复习化工原理的基础上，进一步掌握设计变量、固定设计变量，可调设计变量；关键组分，非重(轻)关键组分，最小回流比，最小理论板数，共沸物，共沸精馏，萃取剂，萃取精馏，正偏差，负偏差，均相，非均相，化学吸收类型，增强因子等。
2、掌握：简单的单元设计变量和装置设计变量计算；简捷计算法，简捷计算常用于设计的初级阶段，是对操作进行粗略分析的常用算法，本章要求掌握的简捷算法。
用于多组分精馏设计的有：芬斯克(Fenske)法；恩德吾德(Underwood)法；吉利兰(Gilliland)法
用于共沸精馏的有：二元非均相共沸精馏的图解法
用于萃取精馏的有：萃取精馏的简化计算法，集团法
用于吸收的有：多组分吸收的吸收因子法
通过以上简捷算法，要求能够进行塔内的物料衡算，计算理论和实际塔板数，回流比，进、出口气、液量及组成的计算
判别化学吸收的类型，识别四种反应类型的化学吸收的浓度分布图。了解不同类型不同反应级数的增强因子表达式，化学吸收的塔设备计算。理解和掌握，表3-1，例3-1，例3-2，例3-3，例3-4，例3-5.。
3、熟练掌握：设计变量、多组分精馏过程。
 
第四章  多组分多级分离的严格计算
本章不做考核要求。
 
第五章  分离设备的处理能力和效率
（一）课程内容
本章内容所涉及的是传质设备问题，重点讨论影响气液或溶液传质设备处理能力和效率的各种因素。确定效率的经验方法和机理模型，以及传质设备的选型问题。
（二）学习要求
通过学习掌握气液传质设备的处理能力和效率；气液传质设备的选择。萃取设备的处理能力和效率不做考核要求。
（三）考核知识点和考核要求
1、领会：影响传质设备处理能力的各种因素；影响传质设备处理效率的各种因素；气液传质设备效率的几种表示方法；气液传质设备效率的估算方法；传质设备的选型。
2、掌握：影响处理能力、效率的因素分析；各传质效率的物理意义与求算方法；传质设备的选择原则。
 
第六章  分离过程的节能
本章不做考核要求。
 
第七章  其它分离技术和分离过程的选择
（一）课程内容
随着科学技术的不断发展，对分离技术的要求越来越高，分离的难度也越来越大的过程。为了适应这些要求，除对常规分离手段加以改进和强化外，还不断开发出新的分离方法和技术。本章介绍了一些重要的并日趋成熟的新分离技术。
（二）考核知识点和考核要求
1、领会：膜分离的基本术语。如渗透通量、分离效率(截留率)，通量衰减系数，对除膜，非对称膜，复合膜，浓差极化、膜污染等；膜分离过程的分类、推动力、传质机理、截留物、透过物；反渗透、超滤、微滤、电渗析、气膜和液膜分离的传质基本机理；吸附分离原理；反应精馏原理。
2、掌握：膜分离技术、吸附分离技术、反应精馏技术。

 
三、 有关说明和实施要求

 
（一）关于“课程内容与考核目标”中有关提法的说明
在大纲中的考核要求中，提出“领会”、“熟练”、“熟练掌握”等三个层次的要求，它们的含义是：
1、领会：要求应考者掌握有关的知识点的主要内容，并能够理解规定的有关知识点的内涵和外延，根据考核的不同要求，做出正确的解释、说明和阐述。
2、掌握：要求应考者掌握有关的知识点，正确理解和记忆相关内容的原理。
3、熟练掌握：要求应考者必须掌握的课程中的核心内容和重点知识。
（二）自学教材与参考书
    教材1：
    陈涛，张国亮.《化工传递过程基础》，北京：化学工业出版社（第三版），2009年
    参考书：
    ①王运东，骆广生，刘谦.《传递过程原理》，北京：清华大学出版社，2002年
    ②沙庆云.《传递原理》，大连：大连理工大学出版社，2003年
    教材2：
    陈洪钫，刘家祺. 《化工分离过程》，北京：化学工业出版社，1995年
    参考书：
    贾绍义.《化工传质与分离过程》，北京：化学工业出版社，2001年
（三）本课程的自学方法指导
    全面系统地学习教材内容，注意掌握传递过程和分离过程中基本概念，基本原理，基本方程和解题方法，注意在运用上下功夫。动量、热量和质量传递之间的相互关系、规律和各自的特点要注意归纳，做到举一反三。注意传质分离过程的特性及传质分离操作的强化手段和分离设备的优化计算。
l、本门课程分为两篇四部分内容
    第一篇分为三部分
    (1)动量传递  建立动量传递方程组，介绍方程组礁层流、湍流中的应用。其应用是指在特定的条件下求解：流体的速度分布、应力分布及流量计算。介绍边界层概念和方程，湍流概念和方程。这部分内容是学习传递过程的基础，务必一开始就扎扎实实地加以掌握。
    (2)热量传递在这部分内容中首先建立了热量传递方程组，接着在稳态、非稳态热传导和稳态层流、湍流传热领域展开讨论。主要解决在定解条件下固体、流体内的温度分布、局部热量通量和总热流率。稳态导热中要掌握一维导热例子(直角坐标和柱坐标)。在非稳态导热中注意对毕渥特数(Bi)的判别，掌握集总热容法(Bi<0.1)，和无限大物体导热的高斯误差函数法，其它情况可采用图解法计算。对沿板的精确解、近似解所导出的公式会正确使用，如利用公式求解温度分布、边界层层厚及热流通量。类比解主要是用在湍流传递中，其思想是利用较易得到的摩擦阻力系数类推得出湍流传热系数和湍流传质系数或是用对流传热系数类推出对流传质系数，类比解注意对J因数类似法的掌握运用。
    (3)质量传递在上述部分基础上，进一步讨论了与化工生产最为密切的质量传递，它是传递与分离过程间的桥梁。在这部分中建立了组元的质量传递方程，用于解决浓度分布问题，介绍了传质方式和原理，介绍了对流传质系数的定义和在层流、湍流下传质系数的求解公式。这部分内容在方程的建立，求解思路和所用的数学解法与(1)(2)部分雷同，学习时可注意借鉴上述知识。学完这部分内容后，注意全篇的融会贯通、归纳整理。如每一部分开始都是建立各自的微分方程。三传的层流解、湍流解、类比解、图解等都可加以归纳。进行对比找出一些共性的规律。
    第二篇为独立一部分
    (4)分离过程  该部分在(1)、(2)、(3)部分基础上，结合化工原理、化工热力学知识，讨论工业应用最广泛的精馏、吸收和萃取操作，同时对已获得工业应用目具有良好运用前景的膜分离技术等新型分离技术也做了简单介绍，这部分着重强调对基本概念、过程的选择、特性分析、设备计算的掌握。从分离工程的共性出发，讨论各种分离方法的特征。强调将工程和工艺相结合的观点，以及设计和分析能力的训练。本篇的重点章节是十三、十四章。
    2、学习时结合化工原理、物理化学和化工热力学的知识，准确理解基本概念、定义。本课程所涉及的内容面广、概念多、所用数学手段多、部分内容较为抽象造成自学有一定的难度。学习时应当一个部分一个章节的学习、理解，在消化的基础上进行下一部分的学习，学习过程还要不断的小结、回顾，切忌囫囵吞枣。
    3、学用结合。学习本课程不能只停留在知道几个概念、公式，要注意所学知识的运用。应用分为二方面。一方面是通过做题加深理解。本课所涉及的原理、公式解等要通过大量做题才能加强理解，加深印象。所以首先要将教材中有关例题务必看懂。看例题时先弄清该例题要解决什么问题，思考需要什么概念、方程和解题方法，要先试做再与例题解对照(做到事半功倍)。除此之外还要从教材和参考书选择部分习题独立完成。通过这些例题和习题的练习(加强理解，应用的第二方面是初步掌握应用)所学知识研究和处理在化工生产过程中的开发问题，设计中遇到的工程问题，实验研究中的建模问题。
    4、对社会助学的要求
    （1）帮助同学切实抓住各章考核要点，学握知识点，理清各部分内容的内在联系，同时兼顾一般内容。
    （2）解决学习中疑难问题，建立正确的学习方法。课程中的基本方程的建立，微分方程在各定解条件下的运用，各个图解的正确使用应注意辅导。适当复习高等数学知识，但又要避免陷入纯数学的推导，强调对各模型、方程的物理实质理解，强调对使用条件的掌握。
    （3）通过例题讲解、作业分析和课堂讨加深同学对课程内容的理解。可分四个阶段分别举行复习、答疑、小结，巩固所学知识。注意帮助提高同学分析问题和解决问题的能力，做到举一反三，提高自学能力。
 
 
附录 题型示例
一、选择题
如： 当流体流过任一截面时，流速、流率和其它有关的物理量随时间而变化，称为（      ）
A．定常流动     B．平衡流动     C．不稳态流动     D．稳态流动
二、填空题
如：传递过程中所传递的物理量为          、能量、动量、电量等。
三、名词解释
如：涡流传递
四、简答题
如：写出对流传热系数h的定义式，h与哪些因素有关（至少说出2个因素）。
五、计算题
如：气体以16 m/s速度流过平板表面，形成速度边界层。
试求：① 距平板前缘0.2 m及1 m处的边界层厚度；
② 求0.2 m及1 m处距平板表面垂直距离为0.015m处的流体流速。