【现货速发】传递过程原理

自从人类制取化学品以来，已积累了大量的原料加工和产品生产经验。通过对积累起来的经验进行总结和归纳，发现原料加工和产品生产中的物质变化过程可分为两类：化学变化过程和物理变化过程。化学变化过程是指物质经过化学反应加工后变为另外一种物质的加工过程，而物理变化过程是指物质经过加工后仅在状态（如气态、液态和固态等）、形状、纯度等方面产生变化，不会生成新物质的加工过程。物理变化过程又可分为混合、筛分、过滤、加热、冷却、蒸发、吸收、精馏、萃取、结晶、干燥、吸附等几十种被称为单元操作的过程。纵观千千万万化工产品的生产过程可知：任何一个化学品的生产过程都是由几个化学变化过程和几个物理变化过程组成的。

单元操作过程虽然多达几十种，但经过深入研究发现这些单元操作过程都是由动量、热量和质量传递（以下简称为“三传”）速率所控制，即“三传”速率决定了单元操作过程的快慢，因而决定了化工生产过程的效率。为了设计出合适的生产装备以及提高化工和相关领域的生产效率，必须研究并熟练掌握“三传”的相关规律。传递过程原理就是关于研究“三传”规律的一门专业基础课程。 

对“三传”规律的深入研究发现：常常可以使用相同的方法解决三种传递的问题，即对有关“三传”的实际问题进行建模，往往能得到类似的数学方程及其解。为了充分理解“三传”之间的相互联系，本书以解决问题的方法为主线来论述“三传”规律的有关内容。此外，任何学科的发展都是由表及里的探索研究过程，即由表面现象的观察到深入研究其规律的过程，因此，为体现其发展规律以及“三传”间的相互联系，全书内容编排如下。

在章中，从“三传”速率的表象观察结果，引入传递过程的现象方程。对现象方程的深入分析，表明“三传”规律在表观上的相似性。同时，在章中介绍了相关传递系数的计算公式。

在第二章至第四章中，从动量、能量和质量守恒定律出发，以衡算的方式得到相应物理量的衡算方程，也称控制方程。由于不管是在工业生产还是科学研究过程中，对一些物理量进行衡算以获得这些物理量的变化规律是基本的研究方法。在研究“三传”过程中，通过对宏观体积的动量、热量和质量衡算可分别得到对应物理量的衡算方程，进而了解各物理量在宏观体积中总体的变化规律。类似地，若在面（薄层体）、线（线形体）和点（微元体）上进行动量、热量和质量衡算，可分别得到对应物理量的一维、二维和三维微分方程，进而了解各物理量在所研究区域内的变化规律。因此，本书在第二、三和四章中，以衡算为研究方法分别得到动量、热量和质量总衡算方程和一维、二维以及三维偏微分方程，其中，在第三章中以平面、柱面和球面顺序来介绍在面（薄层体）上进行动量、热量和质量衡算的相关内容。

在第三、四章中所获得的偏微分方程往往为非线性偏微分方程，其求解非常困难。所以本书在第五章中以求解偏微分方程为主要内容，通过利用所讨论问题的物理特点，将偏微分方程进行简化从而得以求解。如一维、二维及三维微分方程在特殊的情况和简单的边界条件下可转化为常微分方程，从而得到解析解。其次，在第五章中介绍层流边界层概念，根据边界层特性可得层流边界层内传递问题的精确解。后，利用动量、热量和质量衡算导出边界层积分方程，通过边界层积分方程也可求得层流边界层的近似解。

对于不能得到解析解的复杂问题，书中介绍五种方法来处理“三传”问题，如第六章中介绍：（1）采用理论模型，如普朗特混合长模型处理平板上及管内的湍流流动问题；（2）利用第五章中导出的边界层积分方程得到湍流边界层内“三传”问题的近似解。在第七章中介绍；（3）量纲分析法，如流体流动时摩擦系数的量纲分析、对流传热系数的量纲分析、对流传质系数的量纲分析等；（4）“三传”相似律；（5）传质模型。

本书力求公式推演严谨、概念表述清晰，如在第四章中通过运动方程严格推导出机械能衡算方程、不含机械能的能量衡算方程等。对一些容易混淆的概念进行了阐述：如在总能量衡算方程中出现的摩擦功率是指系统与环境在界面上由于黏性摩擦力而做的功，而在机械能衡算方程中出现的摩擦阻力损失则是指整个系统内由于黏性摩擦力做功的结果；明确了对流传递通量、涡流传递通量和扩散传递通量间的联系与区别。此外，本书以突出“三传”问题的共性研究方法为主进行编撰，以此加深理解“三传”之间的相互联系，因此本书没有包括辐射传热的内容，关于辐射传热的内容，读者可阅读其他参考资料。

本书可作为化工、材料、制药、冶金、环境、能源、机械、电子等相关专业本科生和研究生的教材，也可供相关领域工程技术人员研究参考。章节内容安排上尽量各自相对独立，以便于教师根据不同教学要求和进度选学相关内容。如在第三、四和七章中，一些小节的内容可根据不同教学要求和进度进行选学而不影响知识体系的完整性。

浙江大学南碎飞负责本书至五章的编著，窦梅负责第六、七章及附录的编著，全书由南碎飞统稿。

本书的出版得到浙江大学工程师学院“专业学位研究生实践教学品牌课程”立项资助、浙江大学教材出版立项资助，在此作者一并予以致谢！

由于作者所掌握的知识有限，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评斧正。

编著者  

2021年3月

本书章介绍了动量、热量和质量传递的一般机理及其现象方程。第二至四章介绍了将质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律依次分别应用于宏观体、薄层体和微观体导出质量衡算方程、动量衡算方程和能量衡算方程，并从流体运动方程出发导出机械能衡算方程，及这些衡算方程的实际应用。第五、六章介绍了在层流和湍流流动下的动量、热量和质量传递规律，第七章介绍了动量、热量和质量传递问题的工程解决方法。书中各章配有适量的例题和习题，扫描本书封底二维码可以观看视频、动画以加深理解有关概念。

本书可以作为化工、材料、制药、冶金、环境、能源、机械、电子、航天和生物工程等专业本科生和研究生的教学用书，也可以供上述专业的科研、设计和工程技术人员参考。

本书章介绍了动量、热量和质量传递的一般机理及其现象方程。第二至四章介绍了将质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律依次分别应用于宏观体、薄层体和微观体导出质量衡算方程、动量衡算方程和能量衡算方程，并从流体运动方程出发导出机械能衡算方程，及这些衡算方程的实际应用。第五、六章介绍了在层流和湍流流动下的动量、热量和质量传递规律，第七章介绍了动量、热量和质量传递问题的工程解决方法。书中各章配有适量的例题和习题，扫描本书封底二维码可以观看视频、动画以加深理解有关概念。

本书可以作为化工、材料、制药、冶金、环境、能源、机械、电子、航天和生物工程等专业本科生和研究生的教学用书，也可以供上述专业的科研、设计和工程技术人员参考。

南碎飞，浙江大学化学工程与生物工程学院，副教授，教学方面情况：

1.教授本科生化工原理理论课、实验及课程设计，共计32学年。

2.教授研究生传递过程原理理论课，共计20学年。

3.主持或参与多项教改项目及教学实践基地建设，并获得多项教学成果奖。

4.参与国际生暑期交流教学，共计6期。

5.参与编写并出版化工原理教材及化工原理教学参考书。

科研方面情况：

1.主持或参与30余项科研项目。

2.发表科研论文二十几篇。

3.授予专利17项。

章  传递现象 1

节  分子动量传递 1

一、牛顿黏性定律和分子动量传递 1

二、气体的黏度 3

三、液体的黏度 5

第二节  分子热量传递 5

一、傅里叶定律和分子热量传递 5

二、气体的热导率 7

三、液体的热导率 8

四、固体的热导率 10

第三节  分子质量传递 10

一、费克定律和分子质量传递 10

二、气体的扩散系数 11

三、液体的扩散系数 13

第四节  对流传递 15

一、对流动量通量 15

二、对流热量通量 15

三、对流质量通量 16

习题 16

第二章  宏观体积衡算 18

节  系统与控制体 18

一、基本概念 18

二、雷诺传递方程 19

第二节  总质量衡算 21

一、总质量衡算方程 21

二、总质量衡算方程应用 22

第三节  总动量衡算 24

一、总动量衡算方程 24

二、总动量衡算方程应用 25

第四节  总能量衡算 27

一、总能量衡算方程 27

二、总能量衡算方程应用 29

第五节  总机械能衡算 32

一、总机械能衡算方程 32

二、总机械能衡算方程应用 34

习题 36

第三章  薄层体积衡算 41

节  薄层体积的动量衡算 41

一、大平板上液膜流动的速度分布 41

二、大平板突然启动时平板间流体的速度分布 43

三、圆管内轴向定常态层流流动的速度分布 47

第二节  薄层体积的能量衡算 48

一、固体平壁内一维定常态热传导 48

二、大平板两侧突然升温时固体内一维非定常态热传导 49

三、半无限大固体内一维非定常态热传导 52

四、矩形翅片的定常态热传导 54

五、圆筒壁面的定常态热传导 57

六、具有内热源圆棒的定常态热传导 59

七、球体非定常态热传导 60

第三节  多组分流体薄层体积的质量衡算 65

一、速度和通量 65

二、等摩尔组分反方向定常态扩散时的传质 67

三、一组分通过另一个停滞组分的定常态扩散传质 70

四、组分A通过停滞组分B的拟定常态扩散时的传质 74

五、伴有一级均相化学反应定常态扩散时的传质 75

六、伴有化学反应的催化剂微孔道内定常态扩散时的传质 77

七、强制对流下半无限大空间定常态扩散时的传质 79

习题 81

第四章  微观体积衡算 87

节  微观体积的纯组分流体质量衡算 87

第二节  微观体积的动量衡算 88

一、应力表示的运动方程 88

二、应力与形变速率的关系 91

三、纳维-斯托克斯方程 91

第三节  运动方程的应用 92

一、大平板突然启动时平板间流体的速度分布 92

二、同心套管内轴向定常态层流时的速度分布 93

三、同心套管环隙内周向定常态层流时的速度分布 94

四、由运动方程出发推导通用机械能衡算方程 98

五、流体在直管内流动时的摩擦阻力损失计算通用公式 101

六、流体在几种管内做层流流动时的摩擦阻力损失计算 102

第四节  微观体积的能量衡算 106

一、通用能量微分方程式 106

二、固体内的热传导微分方程 109

三、液体内的热传导微分方程 109

四、气体内的热传导微分方程 109

第五节  能量微分方程的应用 110

一、固体平壁内一维定常态热传导 110

二、半无限大固体内一维非定常态热传导 111

三、具有内热源变热导率的圆柱体内一维定常态热传导 113

四、具有黏性摩擦内生热源的一维定常态层流流动时的热传导 114

五、圆管内流体一维定常态层流流动时的热传导 121

六、矩形平板内二维定常态热传导 124

第六节  微观体积的多组分流体质量衡算 128

一、以质量为基准的传质微分方程 128

二、以物质的量为基准的传质微分方程 129

三、二元体系的传质微分方程 129

第七节  传质微分方程的应用 130

一、半无限大空间的非定常态扩散传质 130

二、伴有快速反应的一维非定常态扩散传质 133

*三、圆柱体中的非定常态扩散传质 134

四、圆管内定常态层流传质 137

习题 138

第五章  层流流动下的传递过程 144

节  几种特殊的流体流动 145

一、爬流 145

二、势流 151

三、平面流与流函数 155

第二节  边界层内的传递现象 158

一、边界层理论 159

二、速度边界层方程 162

三、温度边界层方程 169

四、浓度边界层方程 178

第三节  边界层积分方程 183

一、速度边界层动量积分方程 183

二、温度边界层能量积分方程 188

三、浓度边界层质量积分方程 192

习题 196

第六章  湍流流动下的传递过程 199

节  湍流流动的基本方程 199

一、湍流的描述 199

二、湍流流动下的传递基本方程 202

第二节  普朗特混合长理论及其应用 206

一、普朗特混合长理论 206

二、平板壁面上定常态湍流流动 207

三、管内定常态湍流流动 209

第三节  平板壁面湍流边界层传递的近似解 217

一、平板壁面湍流边界层流动的近似解 217

二、平板壁面湍流边界层传热的近似解 220

三、平板壁面湍流边界层传质的近似解 222

习题 225

第七章  对流传递过程的工程解决方法 228

节  量纲分析法 228

一、圆管内湍流流动的摩擦阻力损失量纲分析 228

二、圆管内湍流流动的对流传热系数量纲分析 230

三、湍流流动的对流传质系数量纲分析 234

第二节  三传相似律 234

一、雷诺相似律 235

二、普朗特-泰勒相似律 239

三、冯·卡门相似律 241

四、契尔顿-柯尔本相似律 243

第三节  传质模型 250

一、双膜模型 250

二、溶质渗透模型 251

三、表面更新模型 252

习题 254

附录 256

附录A  坐标系、矢量公式和传递微分方程 256

A.1  柱坐标系和球坐标系示意图 256

A.2  矢量运算 256

A.3  不可压缩流体的牛顿黏性定律 257

A.4  傅里叶热传导定律 257

A.5  费克二元扩散（）定律 258

A.6  连续性方程 258

A.7  以τ表示的运动方程 258

A.8  μ和?为常数的牛顿流体的运动方程 259

A.9  cp、k和?为常数的无内热源的能量方程 260

A.10  以jA给出的物种A的连续性方程 261

A.11  以aA给出的?、DAB为常数的物种A的连续性方程 261

附录B  传递性质推算用表 262

B.1  Lennard-Jones(6-12)势能参数和临界性质 262

B.2  碰撞积分 264

附录C  误差函数表 265

附录D  物性常数 266

D.1  空气的重要物性 266

D.2  水的重要物性 267

D.3  常压下气体中的扩散系数实验值 268

D.4  在25℃水中无限稀释溶质的扩散系数 269

习题答案 270

主要符号说明 275

参考文献 277

本书章介绍了动量、热量和质量传递的一般机理及其现象方程。第二至四章介绍了将质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律依次分别应用于宏观体、薄层体和微观体导出质量衡算方程、动量衡算方程和能量衡算方程，并从流体运动方程出发导出机械能衡算方程，及这些衡算方程的实际应用。第五、六章介绍了在层流和湍流流动下的动量、热量和质量传递规律，第七章介绍了动量、热量和质量传递问题的工程解决方法。书中各章配有适量的例题和习题，扫描本书封底二维码可以观看视频、动画以加深理解有关概念。

本书可以作为化工、材料、制药、冶金、环境、能源、机械、电子、航天和生物工程等专业本科生和研究生的教学用书，也可以供上述专业的科研、设计和工程技术人员参考。

南碎飞，浙江大学化学工程与生物工程学院，副教授，教学方面情况：

1.教授本科生化工原理理论课、实验及课程设计，共计32学年。

2.教授研究生传递过程原理理论课，共计20学年。

3.主持或参与多项教改项目及教学实践基地建设，并获得多项教学成果奖。

4.参与国际生暑期交流教学，共计6期。

5.参与编写并出版化工原理教材及化工原理教学参考书。

科研方面情况：

1.主持或参与30余项科研项目。

2.发表科研论文二十几篇。

3.授予专利17项。