第二章传质的理论基础ppt课件.ppt

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1、,第二章 传质的理论基础,21 传质概论 22 扩散传质 23 对流传质 24 相际间的对流传质模型,2.1 传质概论,混合物组成的表示方法,传质速度和扩散通量,质量传递的基本方式,2.1.1 混合物组成的表示方法,质量浓度,在单位体积中所含某组分的质量，即质量浓度，kg/m3。,组分A,B在体积V中具有的质量,物质的量浓度,在单位体积中所含某组分的物质的量，即物质的量浓度，kmol/m3。,组分A,B在体积V中具有的物质的量，kmol,质量浓度与物质的量浓度的关系：,组分A的摩尔质量，kg/kmol,质量分数,摩尔分数,气液两相：x-气相摩尔分数 y-液相摩尔分数,组分A的质量分数与摩尔分数

2、的互换关系,已知质量分数，求摩尔分数,已知摩尔分数，求质量分数,回顾,混合物组成的表示方法,传质速度和扩散通量,质量浓度,物质的量浓度,质量分数,摩尔分数,传质的速度,绝对速度=主体流动速度+扩散速度,传质的通量,质量通量,摩尔通量,2.1.2 传质的速度和扩散通量,传质的速度,绝对速度,主体流动速度,扩散速度,绝对速度=主体流动速度+扩散速度,传质的通量,单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量,速度与浓度的乘积,（1）以绝对速度表示的质量通量和摩尔通量,质量平均速度,质量通量,摩尔平均速度,摩尔通量,（2）以扩散速度表示的质量通量和摩尔通量,质量通量,摩尔通量,（3）以主体流动速度表

3、示的质量通量和摩尔通量,质量通量,摩尔通量,【例2-1】组分A(O2)、B(CO2)构成的二元系统中发生一维稳态扩散。已知,kmol/m3,m/s,求:,(1)(2)(3),解:,(1),kg/m3,kg/m3,kg/m3,kmol/m3,(2),(3),2.1.3 质量传递的基本方式,分子传质 对流传质,1、分子传质,分子扩散，简称扩散,由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象,分子扩散的原因：浓度梯度、温度梯度、压力梯度、外加电势或其他势,热扩散（索瑞特效应）、压力扩散,热扩散或压力扩散的结果导致浓度变化并引起浓度扩散，最后温度扩散或压力扩散与浓度扩散相互平衡，建立一稳定状态。,2、对流

4、传质,壁面和运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递,分子扩散,对流扩散,对流质交换,（1）对流传质,（2）紊流扩散,凭借流体质点的湍流和漩涡来传递物质的现象,2.2 扩散传质,2.2.1 斐克定律,扩散基本定律斐克定律：,组分A向组分B的扩散通量与组分A的浓度梯度成正比,扩散物质A的质量扩散通量和摩尔扩散通量,组分A的质量浓度,组分A的摩尔浓度,比例系数，称分子扩散系数,两组分扩散系统,分子扩散常伴有流体的主体流动,例，用液体吸收气体混合物中溶质组分的过程,三个通量的关系,组分的实际传质通量=分子扩散通量+主体流动通量,2.2.2 气体中的稳态扩散过程,分子扩散,双向扩散（反方向

5、扩散）,单向扩散（一组分通过另一停滞组分的扩散）,2.2.2.1 等分子反方向扩散,z1：,CA1,CB1,z2：,CA2,CB2,CA1,CB1,CA2,CB2,2.2.2.2 单向扩散,z1：,CA1,CB1,z2：,CA2,CB2,CA1,CB1,CA2,CB2,漂流因数,反映主体流动对传质速率的影响,2.2.3 液体中的稳态扩散过程,液体中的分子扩散速率远远低于气体中的分子扩散速率,2.2.3.1 液体中的扩散通量方程,D、C应取平均值，求解,2.2.3.2 等分子反方向扩散,2.2.3.3 组分A通过停滞组分B的扩散,停滞组分B的对数平均浓度,稀溶液,2.2.4 固体中的稳态扩散过程

6、,应用：固体物料干燥 固体吸附 固体除湿,与固体内部结构基本无关的扩散,与固体内部结构有关的多孔介质的扩散,2.2.4.1 与固体内部结构无关的稳态扩散,通用表达式：,2.2.4.2 与固体内部结构有关的多孔固体中的稳态扩散,斐克型扩散,克努森扩散,过渡区扩散,2.2.5 扩散系数,扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数，即,单位：m2/s,表2-1 气-气质扩散系数和气体在液体中的质扩散系数D(m2/s),气体在空气中的D，25，p=1atm,氨-空气 水蒸气-空气 CO2-空气 O2-空气 H2-空气,2.8110-5 2.5510

7、-5 1.6410-5 2.0510-5 4.1110-5,苯蒸汽-空气 甲苯蒸气-空气 乙醚蒸汽-空气 甲醇蒸汽-空气 乙醇蒸汽-空气,0.8410-5 0.8810-5 0.9310-5 1.5910-5 1.1910-5,液相，20，稀溶液,氨-水 CO2-水 O2-水 H2-水,1.7510-9 1.7810-9 1.8110-9 5.1910-9,氯化氢-水 氯化钠-水 乙烯醇-水 CO2-乙烯醇,2.5810-9 2.5810-9 0.9710-9 3.4210-9,表2-2 气体在空气中的分子扩散系数D0（cm2/s）,表2-2列举了在压强、温度T0=273K时各种气体在空气中的

8、扩散系数D0，在其它p、T状态下的扩散系数可用下式换算,回顾,扩散基本定律斐克定律：,三个通量的关系,组分的实际传质通量=分子扩散通量+主体流动通量,2.2.2 气体中的稳态扩散过程,分子扩散,双向扩散（反方向扩散）摩尔潜热相等的蒸馏操作,单向扩散（一组分通过另一停滞组分的扩散）水面上饱和蒸汽向空气中扩散,漂流因数,反映主体流动对传质速率的影响,2.2.3 液体中的稳态扩散过程,双向扩散（反方向扩散）摩尔潜热相等的二元混合物蒸馏时的液相,单向扩散（一组分通过另一停滞组分的扩散）苯甲酸(A)水(B)溶液与苯接触,2.2.4.1 与固体内部结构无关的稳态扩散,通用表达式：,2.2.4.2 与固体内

9、部结构有关的多孔固体中的稳态扩散,斐克型扩散,克努森扩散,过渡区扩散,2.3 对流传质,热对流：依靠流体的运动，把热量由一处传 递到另一处的现象对流换热：流体与固体壁直接接触的换热过 程，热对流+导热,对流扩散：流体中由于对流运动引起的物质 传递现象对流传质：壁面和运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递 对流扩散+分子扩散,与对流换热比较,2.3.1 对流传质系数,壁面浓度,主体浓度,对流传质系数,与流体性质、壁面的几何形状和粗糙度、流体速度等因素有关,摩尔通量（对流传质速率）,2.3.2 浓度边界层及其对传质问题求解的意义,一、浓度边界层的概念,浓度边界层 c被定义为,(CAs

10、-CA）/（CAs-CA）=0.99时的y值,流动边界层,温度边界层,表面摩擦、对流换热、对流传质,当粘性流体在壁面上流动时，由于粘性的作用，在贴壁处被滞止，处于无滑移状态（即：y=0,u=0）,在这极薄的贴壁流体层中，传质只能以分子扩散方式进行,根据斐克定律：,为贴壁处壁面法线方向上的组分A浓度变化率,将对流传质速率定义式与上式联立,求解对流传质速率的步骤,1）求解运动方程和连续性方程，得出速度分布；2）建立和求解传质微分方程，得出浓度分布；3）由浓度分布得出浓度梯度；4）由壁面处的浓度梯度，求得对流传质系数。,边界层的重要意义,由于边界层的引入，可以大大简化讨论问题的难度。我们可以将整个的

11、求解区域划分为主流区和边界层区。在主流区内，为等温、等浓度的势流，各种参数视为常数；在边界层内部具有较大的速度梯度、温度梯度和浓度梯度，其速度场、温度场和浓度场需要专门来讨论求解。,任意表面的速度,温度和浓度边界层的发展,2.3.3 紊流（湍流）传质的机理,组分A的主体平均浓度定义为：,2.3.4 对流传质的数学描述,流体微元体，体积为dxdydz,质量守恒表达式（多维、非稳态、伴有化学反应）,输入的质量速率+反应生成的质量速率=输出的质量速率+微元体内累积的质量速率,输出-输入+积累-生成=0,对流传质微分方程,特定形式,不可压缩流体,特定形式,分子传质（主体流动速度为零）,且系统内部不发生

12、化学反应,柱坐标系的对流传质微分方程：,对流传质方程的边界层近似,因为边界层厚度一般很小，可利用下面的不等式,速度边界层,温度边界层,浓度边界层,经简化和近似，总的连续性方程及x方向动量方程可简化为,根据利用速度边界层近似的量级分析，可以表明y动量方 程可简化为,能量方程可简化为,组分A的对流传质方程变成,能量守恒方程,回顾,对流传质的概念,对流传质系数定义式,浓度边界层 c被定义为,(CAs-CA）/（CAs-CA）=0.99时的y值,浓度边界层概念,边界层厚度比较,速度边界层 温度边界层 浓度边界层,对流传质微分方程,特定形式,不可压缩流体,特定形式,分子传质（主体流动速度为零）,且系统内

13、部不发生化学反应,柱坐标系的对流传质微分方程：,（1）施密特准则数(Sc)对应于对流传热中的普朗特 准则数（Pr),:流体的运动粘度（即动量传输系数）：物体的导温系数（即热量传输系数）Di：物体的扩散系数,(2)宣乌特准则数（Sh）对应于对流传热中的努谢 尔特准则数(Nu),h:对流传热系数：物体的导热系数 l:定型尺寸 hm:对流传质系数 Di：物体的扩散系数,(3)传质的斯坦顿准则数(Stm)对应于对流传热中的斯坦顿准则数St,2.3.6 对流传质问题的分析求解,局部对流换热系数：,局部对流传质系数：,2.3.6.1 平板壁面上层流传质的精确解,平均对流传质系数：,适用条件：,Sc0.6、

14、平板壁面上传质速率很低、层流边界层部分,例2-7厚10mm、长200mm的萘板。在萘板的一个面上有0的常压空气吹过，流速为10m/s。求经过10h后，萘板厚度减薄的百分数。,解常压下0空气物性值,层流,m/s,流体进管后先不传质，待速度分布充分发展后，才进行传质,2.3.6.2 管内稳态层流对流传质,流体在管内沿轴向作一维稳态层流流动，组分A沿径向进行轴对称稳态传质，忽略组分A轴向扩散,进口段：流体从进入管口开始，需经历一段距离，管断面流速分布和流动状态才能达到定 型，这一段叫进口段。,充分发展段：当流态定型，流动达到充分发展。,1）组分A在管壁处浓度恒定,2）组分A在管壁处传质通量恒定,2.4 相际间的对流传质模型,2.4.1 薄膜理论,根据薄膜理论按斐克定律所确定的稳态扩散传质通量为：,2.4.2 渗透理论,2.4.3 表面更新模型,表面更新率,