第十章-传质的基本概念

1、第十章 传质的基本概念简介简介 传质传质是指在两种或两种以上的组元构成的是指在两种或两种以上的组元构成的混合物系中，如果其中各处混合物系中，如果其中各处浓度不同浓度不同( (存在存在浓度差浓度差) )时，则必发生减少浓度不均匀性的时，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过程，各组元将由浓度大的地方向浓度小的地方迁移，即的地方迁移，即质量传递现象质量传递现象。 分子扩散（扩散）分子扩散（扩散）；传热和传质的推动力传热和传质的推动力 传质的八种传质的八种形形式式；质量传递的基本形式质量传递的基本形式；分子扩散分子扩散; ; 质量对流质量对流; ; 对流扩散对流扩散 重（质

2、）量比重（质）量比; ; 容积比容积比 浓度浓度的定义的定义 质量浓度质量浓度；质量分数质量分数 摩尔浓度摩尔浓度；摩尔分数摩尔分数10-1 传质的基本原理 分子扩散（扩散）： 在有两种以上物质组成的混合物中，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。 传热的推动力温度差 传质的推动力浓度差一、传质基本形式 基本原理 1 1浓度梯度引起的分子浓度梯度引起的分子( (普通普通) )扩散扩散 2 2温度梯度引起的热扩散温度梯度引起的热扩散 3 3压力梯度引起的压力扩散压力梯度引起的压力扩散 4 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

3、力引起的强迫扩散 5 5强迫对流传质强迫对流传质 6 6自然对流传质自然对流传质 7 7紊流传质紊流传质 8 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 传质现象归结为八种形式：传质现象归结为八种形式： 质量传递的基本形式质量传递的基本形式：分子扩散和对流扩散：分子扩散和对流扩散 对流扩散对流扩散：分子扩散和质量对流的联合作用分子扩散和质量对流的联合作用 质量对流质量对流：依靠流体各部分间的宏观相对位依靠流体各部分间的宏观相对位移引起的移引起的质量传递。质量传递。 质量交换、热量交换、动量交换三者在机质量交换、热量交换、动量交换三者在机理上是类似的。理上是类似的。二、基本定义和公式 理

4、想气体状态方程式理想气体状态方程式 : : pVmRgT pV=nRT pvRgT p=RgT 道尔顿定律道尔顿定律: : piVniRT pi=p 亚美格定律亚美格定律: : pViniRT Vi=V 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=11.理想混合气体gRRM nigiigRrR11nigiigRgR1 nigiignigiinigiinigiiniiRrmRRrTpVVRVTpVRVTpmm11111 nigiignigiiginiinigiiniiRgRVRgpmTRmmpmTRmpTVV11111pVimiRgiT

5、pVimiRgiT2.浓度和成分 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。 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/m3或或g/cm3摩尔浓度摩尔浓度(n/V):(n/V):单位为单位为kmol/m3或或mol/cm3 组分组分A A的质量浓度的质量浓度A A: :单位容积混合物中含单位容积混合物中含有组分有组分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 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

6、度之比，称为质量分数质量分数： niiAAniiAAmm111 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分组分A A的摩尔数的摩尔数。niiAAAAAccRTpMVnc1RTpVncpiVniRT摩尔浓度摩尔分数：固体和液体：xA=cA/c气体： yA=cA/c yA=pA/p1111niiniiyx例题10-1 温度为25和压力为10/m的干空气主要由下列两种组分组成：yO20.21；yN20.79。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。解：对于一摩

7、尔干空气：氧：（1mol)0.21(0.032kg/mol)=0.00672kg氮：（1mol)0.79(0.028kg/mol)=0.0221kg总质量：0.00672+0.0221=0.0288kg即干空气的平均分子量为0.0288kg/mol质量分数：77. 00288. 00221. 023. 00288. 000672. 022kgkgkgkgNo小 结质量传递的基本形式：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 （pVmR

8、gT）浓度表示方法浓度表示方法Vmii iniiiimm 1iiiiMVnc ccnnxiniiii 110-2 分子扩散概念 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气体的气体的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

9、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 表示表示组分组分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均速度u uM M的扩散速度。的扩散速度。 扩散速度扩散速度2.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，

10、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，其相对于固定坐标的通量叫该组分的叫该组分的净通量净通量。n ni i: :组分的组分的净质量通量净质量通量，N Ni i: :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

11、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j ji i: :相对于质量平均速度的相对于质量平均速度的通量通量 分子扩散摩尔通量分子扩散摩尔通量J Ji i: :相对于摩尔平均速度的相对于摩尔平均速度的通量通量 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） 由上面关系可以得到扩散方程： ni=ji+iu Ni=Ji+ciuM 3.通量、速度、浓度关系式 根据上述通量的概念，可以得到流体混合物平均速度的另一种表示方法:cNcucunuuniiniiiMniiniii 11

12、11 小 结()()iMiiMiiiiiiiiiiiiMuuuuuuunuNc ujuuJc uu 静静止止坐坐标标： ； ；速速度度相相对对坐坐标标：；净净质质量量通通量量：相相对对静静止止坐坐标标净净摩摩尔尔通通量量：通通量量 相相对对于于质质量量平平均均速速度度相相对对于于摩摩尔尔平平均均速速度度二、斐克第一定律1.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：)()(,dzdDjdzdcDJAABzAAABzAdztcdadzdtqpz)( DAB的物理意义：质量扩散能力（类比）2.净通量斐克定律表达式

13、：)()()()(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。)()()(,BAAAABABAAAABAzBzAAAABzAnnDnNNyycDNNNydzdycDN 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。3.3.各方程的使用情况：各方程的使用情况：例题10-2 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。 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