传质的基本概念.ppt

传质学传质学 1 1 第十章 传质的基本概念 l简介 传质是指在两种或两种以上的组元构成的 混合物系中，如果其中各处浓度不同(存在 浓度差)时，则必发生减少浓度不均匀性的 过程，各组元将由浓度大的地方向浓度小 的地方迁移，即质量传递现象。 2 2 请同学们认真读第一节内容，找出 以下概念 l分子扩散（扩散）；传热和传质的推动力 l传质的八种形式；质量传递的基本形式； 分子扩散; 质量对流; 对流扩散 l重（质）量比; 容积比 l浓度的定义 质量浓度；质量分数 摩尔浓度；摩尔分数 3 3 10-1 传质的基本原理 l分子扩散（扩散）： 分子总是处在不规则的热运动中，在有两种物质 组成的二元混合物中，如果各区域存在浓度差别 ，由于分子运动的随机性，物质的分子会从浓度 高的区域向浓度低的区域转移 传热的推动力传热的推动力 温度差 传质的推动力传质的推动力 浓度差 4 4 一、传质基本形式 基本原理 传质现象归结为八种形式： 1浓度梯度引起的分子(普通)扩散 2温度梯度引起的热扩散 3压力梯度引起的压力扩散 4除重力以外的其他外力引起的强迫扩散 5强迫对流传质 6自然对流传质 7紊流传质 8相际传质 分子扩散对流扩散 5 5 l质量传递的基本形式 l分子扩散 l质量对流 l对流扩散 l质量交换、热量交换、动量交换三者在机理上 是类似的 ：分子扩散和对流扩散 ：在静止的流体或垂直于浓度梯度方 向作层流运动的流体以及固体中由微观粒子运动 所引起的扩散 ：当流体作紊流或层流流动时，质量 交换过程除层流底层的微观粒子扩散外，还依靠 流体各部分间的宏观相对位移引起的质量对流 ：分子扩散和质量对流的联合作用 6 6 二、基本定义和公式 1.理想混合气体 pp理想气体状态方程式理想气体状态方程式 pp分压力定律分压力定律 pp分容积定律分容积定律 pp重量比重量比 pp容积比容积比 pp R R gigi与 与 R Rg g 的关系的关系 7 7 p理想气体状态方程式 : pV=nRT pVmRgT pvRgT p=RgT Rg=R/M 8 8 Daltons law of partial pressurep分压力定律 p T V p T Vp T Vp T V 分压力pi l分压力(pi) : 在与混合物相同的温度的情况下, 每 一种组成气体都独自占据混合物相同的体积时,组成气 体的压力 9 9 分压力pi pV=nRT Dalton分压力定律 道尔顿定律理想气体混合物的压力等于各 组成气体分压力之和 1010 p分容积定律 Amagat s law p T V p T Vp T V p T V 分容积Vi pVpV= =nRTnRT pVpV i i = =n n i i RTRT 分体积(vi) : 在与混合物相同的温度和压力的情况下, 每一种组成气体独自占据的体积 1111 单组分 混合物 pV=nRT 亚美格定律亚美格定律理想气体混合物的容积等于各组成理想气体混合物的容积等于各组成 气体分容积之和气体分容积之和 1212 对某一组成气体i： 对比二式，有： 组成气体的分压力与混合物压力之比，等于 组成气体的分容积与混合物容积之比。 1313 p重（质）量比 gi=Gi/G=mi/m gi=1 容积比 ri=Vi/V ri=1 1414 pVimiRgiT pVimiRgiT pp R R gigi与 与R R g g 的关系的关系 1515 2.浓度和成分 p浓度定义：单位容积中物质的量称为浓度。 pp浓度表示方法浓度表示方法： 质量浓度质量浓度(m/V):(m/V):单位为单位为kg/m3kg/m3或或g/cm3g/cm3 摩尔浓度摩尔浓度(n/V):(n/V):单位为单位为kmol/m3kmol/m3或或mol/cm3mol/cm3 1616 l组分A的质量浓度A:单位容积混合物中含有 组分A的质量 l若混合物由几种组分构成，则混合物的质量 浓度为: 质量浓度 1717 l组分A的质量浓度与总质量浓度之比，称为 质量分数： 1818 l组分A的摩尔浓度c：单位容积混合物中含有 组分A的摩尔数。 piVniRT 摩尔浓度 1919 n摩尔分数： 固体和液体：xA=cA/c 气体： yA=cA/c yA=pA/p 2020 例题10-1 l温度为25和压力为10/m的干空气主 要由下列两种组分组成：yO20.21；yN2 0.79。氧的摩尔质量为0.032kg/mol，氮的 摩尔质量为0.028kg/mol 。试确定:(1)氧和 氮的质量分数，(2)干空气的平均分子量。 2121 小 结 质量传递的基本形式：分子扩散、对流传质 质量浓度（密度） 质量分数 摩尔浓度 摩尔分数 分压力 pi=ciRT （pV=nRT） pi=iRgiT （pVmRgT） 浓度表示方法 2222 10-2 分子扩散概念 l在静止的系统中， 由于浓度梯度而产 生的质量传递称为 分子扩散。 2323 一、分子扩散速度和通量 1.分子扩散速度 混合气体中 存在浓度梯度 分子 扩散 破坏压 力平衡 气体的 整体移动 在扩散过程中要产生混合气体的整体流动 2424 l整体流动的质量平均速度 : l整体流动的摩尔平均速度: 混合气体的整体流动速度等于混合气体中 各组成气体速度的平均值 整体流动速度 2525 ui 表示组分i的速度； ui-u 表示组分i相对于整体流动的 质量平均速度u的扩散速度； ui-uM 表示组分i相对于整体流动的 摩尔平均速度uM的扩散速度。 表102 扩散速度 2626 2.通量 l通量(即扩散速率)是指在垂直于浓度梯度 方向的单位面积上，单位时间内所通过的 物质量，简称通量。 l通量是浓度和速度的乘积，其单位由相应 的浓度和速度的单位决定，可以是质量通 量kg/(m2s)或摩尔通量mol/(m2s)等。 2727 l净通量:对于i组分，其相对于固定坐标的通量 叫该组分的净通量。 ni:组分的净质量通量 Ni:组分的净摩尔通量 l分子扩散通量:对于i组分，其相对于相对坐标 的通量叫该组分的分子扩散通量。 分子扩散质量通量ji:相对于质量平均速度的通量 分子扩散摩尔通量Ji:相对于摩尔平均速度的通量 2828 l各种通量的定义式为： 净质量通量 niiui 净摩尔通量 Niciui 分子扩散质量通量 jii(uiu) 分子扩散摩尔通量 Jici(uiuM） l由上面关系可以得到扩散方程： ni=ji+iu Ni=Ji+ciuM 2929 3.通量、速度、浓度关系式 l根据上述通量的概念，可以得到流体混合 物平均速度的另一种表示方法: 3030 3131 小 结 3232 二、斐克第一定律 1.分子扩散通量的斐克定律表达式： 3333 l若双组分混合物的浓度不变 l与傅立叶定律比较： DAB的物理意义：质量扩散能力（类比 ） 3434 2.净通量斐克定律表达式： 3535 l净通量有两部分：一部分是浓度梯度引 起的分子扩散通量；一部分是从整体流 动中携带出来的组分A的通量。 3636 u在纳维埃司托克斯方程式中要考虑扩散 时，则选用n和j； u在化学反应中，则应选用J和N； u在传质设备的工程计算中，则用n和N； u在扩散室中测量扩散系数时，则应选用 JA和j。 3.各方程的使用情况： 3737 3838 例题10-2 l有一管道内充满了氮(N）氦(He)混合气体 ，其温度为300K，总压力为1105N/m2，一 端氮的分压力为pA10.6105N/m2，另一端 为pA20.1105m2，两端相距30cm，已 知扩散系数DHe0.68710-4ms，试 计算稳态下氮的分子扩散摩尔通量。 3939 4040 10-3 对流传质 一、定义：在运动着的流体和相界面之间，或者在两 个不相混合的运动着的流体之间的质量传递称为对 流传质。 二、计算： NA=kccA （10-25） kc传质膜系数，它不仅取决于流态、流体物性 、系统的几何形