重庆大学三传基础课程质量传输

第三篇质量传输前言物质由物物体或空空间中的的一部分分转移到到另一部部分的现现象称质量传输输，简称传传质。传质中，，浓度场是特征量量，浓度差是推动力力。一般般而言，，传质的的结果是是使浓度度差缩小小。以微观分分子扩散散表现的的传质过过程为分子传质质或扩散传质质，又称物性传质质。本质上，，扩散传传质是依依赖微观观粒子(分子、原原子、离离子)的随机运运动所引引起的，，对某一一传输的的物质而而言，当当体系存存在浓度度差时，，浓度大大的分子子破坏了了均衡态态而导致致了定向向的分子子运动，，促使浓浓度大的的区域的的分子趋趋向浓度度小的区区域，而而达到浓浓度一致致。通常情况况下，扩扩散传质质是很缓缓慢的，，传递的的质量也也很少。。以流体质质点或微微团的宏宏观运动动表现的的传质过过程为对流传质质。一般而言言，我们们不深入入到微观观一级去去考察传传质的机机理，但但也应把把传质和和物体的的运动区区别开来来。第十二章章质量量传输的的基本定定律12-1基本概念念12-2菲克第一一定律12-3元体质量量平衡——带扩散的的连续性性方程12-4菲克第二二定律12-1基本概念念

显然有：，其中Mi—分子量相对浓度度：一．浓度度及其表表示法绝对浓度度：质量浓度:kg/m3摩尔浓度:mol/m3质量浓度分数：摩尔分数：，所以有：其中，；同理有：，所以有：对于气体，由，Pi称为分压。二．浓度度场浓度场：定态浓度场：，非定态浓度场：当浓度场场与时间间无关时时，该浓浓度场为为定态浓浓度场，，此时发发生的传传质过程程为定态态传质。。其特点:体系中无无i组分质量量蓄积量量。与时间有有关的浓浓度场为为不定态态浓度场场，此时时发生的的传质为为不定态态传质。。三．浓度度梯度浓度梯度：四．传质质通量传质通量量n——单位时间间、单位位面积上上的传质质量，Kg/m2·s(或mol//m2·s)。12-2菲克第一一定律式中，Di为组分i的扩散系系数，m2/s。1.菲克第一一定律：某组分分的传质质通量与与浓度梯梯度成正正比。mol//m2·skg/m2·s牛顿粘性定律傅立叶导热定律菲克第一定律三定律分分别说明明三种传传输通量量与其动动量梯度度、热量量梯度和和浓度梯梯度成正正比。三种传输输系数ν、a、D的单位也也一致，，都是m2/s。对比：2.物质的扩扩散系数数——表示物质质的扩散散能力。。(1)气体的扩扩散系数数在固、液液、气三三种物质质中，气气体的扩扩散系数数最大，，为5×10-6~10-5m2/s。比气体小小，为10-10~10-9m2/s(3)固体的扩扩散系数数是三态中中最小的的，为10-14~10-10m2/s(2)液体的扩扩散系数数12-3元体质量量平衡方方程(带扩散的的连续性性方程)动量传输输中的连连续性方方程是单单组分、、均质体体系的质质量平衡衡关系，，现讨论论多组分分、非均均质的有有浓度梯梯度的体体系中某某一组分分的质量量平衡关关系。在后者条条件下，，除对流流质量传传输外，，还有因因浓度差差引起的的扩散质质量传输输，故元元体质量量平衡关关系为：：[对流质量量收支差差量]+[扩散质量量收支差差量]=[质量蓄积积]zyox假设：①体系系为不可可压缩，，体系总总密度ρ=Const；②常物物性体系系，即：：Di=Constxzyo单位时间间内，i组分各方方向对流流质量收收支差：：x方向：y方向：z方向：扩散传质质：x方向，单位时间内由A面扩散传入的i组分质量为：zyoABx由B面扩散传出的i组分质量为：x方向，i组分单位时间内的扩散质量收支差量为：x、

y、

z方向，i组分单位时间内的扩散质量收支差量分别为：元体质量蓄积量表现为i组分质量随时间的变化：x、

y、

z方向，i组分单位时间内的对流质量收支差分别为：[对流质量收支差量]+[扩散质量收支差量]

=

[质量蓄积]代入得：——质量平衡衡方程(带扩散的的连续性性方程)带扩散的的连续性性方程和N—S方程、F—K方程很相相似。这这是因为为其物理理本质的的相似——物性传输输和对流流传输引引起的传传输量的的蓄积。。N—S方程牛顿粘性定律F—K方程傅立叶导热定律菲克第一定律带扩散的连续性方程12-4菲克第二二定律将上式用用于一维维固体扩扩散有：：——菲克第二定理。——广义的菲克第二定理。用于三维维固体扩扩散有：：第十三章章扩散散与对流流传质13-1扩散传质质扩散传质质主要用用于固体体中内部部的扩散散，根据据浓度场场是否和和时间有有关，分分定态扩扩散与不不定态扩扩散两大大类。在求解上上分别和和定态导导热和不不定态导导热相对对应。定态扩散散的关系系多用于于实验测测定扩散散系数。。不定态扩扩散的求求解目的的则主要要是确定定浓度场场。定态扩散散传质：解析过过程和定定态导热热完全一一样，或或由菲克克第一定定理求解解，或由由定态扩扩散方程程求解。。对应参数数：传热：t、q、a、α传质：ρ、n、D、k方程：传热：传质：§11--2对流传质质类似于牛牛顿冷却却公式，，对流传传质有下下计算式式：式中，ki——传质系数数，[m/s]。当浓度度以相对对浓度表表示时，，ki的单位和和ni一致。ki与牛顿冷冷却公式式中的α相对应。。mol/m2.smol/s一、定义义流体流动动时发生生的传质质过程称称为对流流传质。。流体的流流动是对对流传质质的前提提，故对对流传质质与对流流传热相相类似，，研究方方法也相相类似对流传质质的一般般计算式式当发生对对流传质质时，在在相界面面附近形形成的有有浓度梯梯度的流流体层称称为浓度度附面层层。二．浓度度附面层层浓度附面层边界按定义，并记为。特点：随x↑而↑，随随Re(u)↑而↓，借借用速度度附面层层的概念念，也有有层流与与紊流附附面层之之分。层流时，，对流传传质实质质上分子子扩散传传质。紊流时，，在传质质方向可可划为紊紊流区、、过渡区区和层流流底层三三部分，，而层流流底层集集中了对对流传质质的大部部分阻力力，是对对流传质质的限制制性环节节。在y=0的相界面面上传质质实际为为扩散，，故有：：对它作相相似转换换，可得得对流传传质的——谢伍德准准数。三．边界界传质微微分方程程称边界传传质微分分方程，，为理论论求解传传质系数数的基本本关系。。努塞尔特特准数谢伍德准准数四、对流流传质的的模型理理论对流传质质的模型型理论是是描述对对流传质质在相界界面上的的物理本本质的理理论，最最终把传传质系数数k和流体的的扩散系系数D联系起来来。1．薄膜理理论(膜理论)这一最早早由刘易易斯等提提出的理理论认为为：对流流传质时时，在界界面存在在一与主主流不相相混合的的（停滞滞不动的的）附于于界面的的流体薄薄膜，该该膜一侧侧与浓度度均一的的主流连连续接触触而又不不相混。。对流传传质可视视为通过过该膜的的稳定态态扩散传传质的过过程，膜膜内浓度度线性变变化，于于是有：：该理论认认为对流流传质是是无数浓浓度等于于流体主主流浓度度Cf的流体质质点，不不断渗透透到浓度度为Cw的界面，，与之短短时接触触，并发发生传质质过程而而后不再再离开界界面的过过程。传质的结结果是质质点浓度度变化了了ΔC，由于大大量质点点不断向向界面迁迁移，又又不断离离开，让让位于新新的质点点，故该该理论又又称表面面更新理理论。2.渗透理论论CfCwCwCfCfCf+ΔC当流动紊紊动激烈烈，质点点与界面面接触时时间短时时，就是是渗透理理论所描