第六章传质基本概念

1、第十章第十章 传质的基本概念传质的基本概念 10-1 传质的基本原理传质的基本原理 10-2 分子扩散概念分子扩散概念 10-3 对流传质对流传质 一、传质基本形式一、传质基本形式 基本原理基本原理 传质现象归结为八种形式：传质现象归结为八种形式：1浓度梯度引起的浓度梯度引起的分子分子(普通普通)扩散扩散2温度梯度引起的热扩散温度梯度引起的热扩散3压力梯度引起的压力扩散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除重力以外的其他外力引起的强迫扩散5强迫对流传质强迫对流传质6自然对流传质自然对流传质7紊流传质紊流传质8相际传质相际传质分子扩散分子扩散对流扩散对流扩散 质量对流质量对

2、流：二、基本定义和公式二、基本定义和公式1.1.理想混合气体理想混合气体p理想气体状态方程式理想气体状态方程式 : : pVmRgT pV=nRT pvRgT p=RgTRg=R/MDaltons law of partial pressurep分压力定律分压力定律p T Vp T Vp T Vp T V分压力分压力pi 分压力分压力( (p pi i) ) : : 在与混合物相同的温度的情况下在与混合物相同的温度的情况下, , 每一种组成每一种组成气体都独自占据混合物相同的体积时气体都独自占据混合物相同的体积时, ,组成气体的压力组成气体的压力分压力分压力pipVRTnnVRTpniinii

3、 11VRTnpii pV=nRTDalton分压力定律分压力定律ipp道尔顿定律道尔顿定律理想气体混合物的压力等于各理想气体混合物的压力等于各组成气体分压力之和组成气体分压力之和p分容积定律分容积定律 Amagat s law p T Vp T Vp T Vp T V分容积分容积Vi分体积分体积(vi) : 在与混合物相同的温度和压力的情况下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每一种组成气体独自占据的体积iinnVVTp,22nVTp单组分单组分混合物混合物33nVTppRTnVii VpRTnnpRTVniinii 11VVVVn 21pV=nRT niiVV

4、111nVTp 对某一组成气体对某一组成气体i：RTnpVii RTnVpii 对比二式，有：对比二式，有：VVppii 组成气体的分压力与混合物压力之比，等于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。组成气体的分容积与混合物容积之比。p重（质）量比重（质）量比 gi=Gi/G=mi/m gi=1 容积比容积比 ri=Vi/V ri=1nigiigRrR11nigiigRgR1 nigiignigiinigiinigiiniiRrmRRrTpVVRVTpVRVTpmm11111 nigiignigiiginiinigiiniiRgRVRgpmTRmmpmTRmpT

5、VV11111pVimiRgiTpVimiRgiT2.2.浓度和成分浓度和成分p浓度定义浓度定义：单位容积中物质的量称为浓度。：单位容积中物质的量称为浓度。 组分组分A的质量浓度的质量浓度A: :单位容积混合物中含有单位容积混合物中含有组分组分A A的质量的质量 若混合物由几种组分构成，则若混合物由几种组分构成，则混合物的质量混合物的质量浓度浓度为为: :VmAAnii1质量浓度质量浓度 组分组分A A的质量浓度与总质量浓度之比，称为的质量浓度与总质量浓度之比，称为质量分数质量分数：niiAniiAA111 组分组分A A的摩尔浓度的摩尔浓度c c：单位容积混合物中含有：单位容积混合物中含有组

6、分组分A A的摩尔数的摩尔数。niiAAAAAccRTpMVnc1RTpVncpiVniRT摩尔浓度摩尔浓度n摩尔分数：摩尔分数：固体和液体：xA=cA/c气体： yA=cA/c yA=pA/p1111niiniiyx例题10-1 温度为温度为25和压力为和压力为10/m的干空气主的干空气主要由下列两种组分组成：要由下列两种组分组成：yO20.21；yN20.79。氧的摩尔质量为。氧的摩尔质量为0.032kg/mol，氮的，氮的摩尔质量为摩尔质量为0.028kg/mol 。试确定。试确定:(1)氧和氧和氮的质量分数，氮的质量分数，(2)干空气的平均分子量。干空气的平均分子量。小 结质量传递的基

7、本形式：分子扩散、对流传质质量传递的基本形式：分子扩散、对流传质质量浓度（密度）质量浓度（密度） 质量分数质量分数摩尔浓度摩尔浓度摩尔分数摩尔分数分压力分压力 pi=ciRT （pV=nRT） pi=iRgiT （pVmRgT）浓度表示方法浓度表示方法Vmii iniiiimm 1iiiiMVnc ccnnxiniiii 1 在静止的系统中，在静止的系统中，由于浓度梯度而产由于浓度梯度而产生的质量传递称为生的质量传递称为分子扩散分子扩散。一、分子扩散速度和通量一、分子扩散速度和通量1.分子扩散速度 混合气体中混合气体中存在浓度梯度存在浓度梯度分子分子扩散扩散破坏压破坏压力平衡力平衡气体的气体的

8、整体移动整体移动在扩散过程中要产生混合气体的整体流动在扩散过程中要产生混合气体的整体流动 整体流动的质量平均速度质量平均速度 : 整体流动的摩尔平均速度摩尔平均速度: niiiuu1cucuniiiM 1 混合气体的混合气体的整体流动速度整体流动速度等于混合气体中等于混合气体中各组成气体速度的平均值各组成气体速度的平均值 整体流动速度整体流动速度ui 表示组分表示组分i i的速度；的速度； ui-u 表示组分表示组分i i相对于整体流动的相对于整体流动的 质量平均速度质量平均速度u u的扩散速度；的扩散速度；ui-uM 表示组分表示组分i i相对于整体流动的相对于整体流动的 摩尔平均速度摩尔平

9、均速度u uM M的扩散速度。的扩散速度。 表102 扩散速度扩散速度2.通量通量 通量通量( (即扩散速率即扩散速率) )是指在垂直于浓度梯度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方向的单位面积上，单位时间内所通过的物质量，简称通量。物质量，简称通量。 通量是浓度和速度的乘积通量是浓度和速度的乘积，其单位由相应，其单位由相应的浓度和速度的单位决定，可以是的浓度和速度的单位决定，可以是质量通质量通量量kg/(mkg/(m2 2s)s)或或摩尔通量摩尔通量mol/(mmol/(m2 2s)s)等。等。 净通量净通量: :对于对于i i组分，其相对于固定坐标的通量组分，其相对于固

10、定坐标的通量叫该组分的叫该组分的净通量净通量。 ni: :组分的组分的净质量通量净质量通量， Ni: :组分的组分的净摩尔通量净摩尔通量 分子扩散通量分子扩散通量: :对于对于i i组分，其相对于相对坐标组分，其相对于相对坐标的通量叫该组分的的通量叫该组分的分子扩散通量分子扩散通量。 分子扩散质量通量分子扩散质量通量ji: :相对于质量平均速度的通量相对于质量平均速度的通量 分子扩散摩尔通量分子扩散摩尔通量Ji: :相对于摩尔平均速度的通量相对于摩尔平均速度的通量3.通量、速度、浓度关系式通量、速度、浓度关系式 根据上述通量的概念，可以得到流体混合根据上述通量的概念，可以得到流体混合物平均速度

11、的另一种表示方法物平均速度的另一种表示方法: :cNcucunuuniiniiiMniiniii 1111 小 结 )()(MiiiiiiiiiiiiMiiMiuucJuujucNunuuuuuuu相对于摩尔平均速度相对于摩尔平均速度相对于质量平均速度相对于质量平均速度摩尔通量：摩尔通量：质量通量：质量通量：相对静止坐标相对静止坐标通量通量；相对坐标：相对坐标：；静止坐标：静止坐标：速度速度 二、斐克第一定律二、斐克第一定律1.1.分子扩散通量的斐克定律表达式：分子扩散通量的斐克定律表达式：)()(,dzdDjdzdycDJAABzAAABzA 若双组分混合物的浓度不变 与傅立叶定律比较：)(

12、)(,dzdDjdzdcDJAABzAAABzAdztcdadzdtqpz)( DAB的物理意义：质量扩散能力（类比）)()()()(1)()()(,cucucydzdycDucucucyucucuccubucdzdycDucadzdycDuucJzBBzAAAAABzAAzBBzAAAzMAzBBzAAzMzMAAABzAAAABzMzAAzA 净通量有净通量有两部分两部分：一部分是浓度梯度引：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动中携带出来的组分A A的通量。的通量。)()()(,BAAAABABAAAABAzBzAAAA

13、BzAnnDnNNyycDNNNydzdycDN u在纳维埃司托克斯方程式中要考虑扩散在纳维埃司托克斯方程式中要考虑扩散 时，则选用时，则选用n和和j；u在化学反应中，则应选用在化学反应中，则应选用J和和N；u在传质设备的工程计算中，则用在传质设备的工程计算中，则用n和和N；u在扩散室中测量扩散系数时，则应选用在扩散室中测量扩散系数时，则应选用 JA和和j。3.3.各方程的使用情况：各方程的使用情况：例题例题10-2 有一管道内充满了氮有一管道内充满了氮(N(N）氦氦(He)(He)混合气混合气体，其温度为体，其温度为300K K，总压力为，总压力为1105N/m2，一端氮的分压力为一端氮的分压力为pA10.6105N/m2，另一，另一端为端为pA20.10.