第三章燃烧传质学基础

第三章

燃烧传质学基础

3-1传质学基本概述一、传质的定义在房间中打开一瓶香水，香水瓶附近很快就会闻到香味，随后就会在整个房间中闻到香水的芬芳。实际上，香水分子从高浓度区域迁徙到远离瓶盖的低浓度区域，呈现出质量迁徙的现象，这一过程就是传质学问题。强调：香水分子的迁徙是在空气的氧气分子和氮气分子的背景下进行的，如在房间空间迁徙过程，则不属于传质学研究范围，而是一个流体力学问题。传质学研究对象：混合气体或混合液体中某个组分分子或微团的迁徙质量传递：在两种或两种以上分子（或微团）组成的混合系统中，某些形式的势（或“推动力”）所引起的分子（或微团）的运动。推动力：浓度势、温度势、压力势、化学势等在化工生产中，物质在浓度差的推动下在足够大的空间中进行的扩散最为常见，一般分子扩散就指这种扩散，它是传质分离过程的物理基础，在化学反应工程中也占有重要地位。此外，还经常遇到流体在多孔介质中的扩散现象，它的扩散速率有时控制了整个过程的速率，如有些气固相反应过程的速率。至于热扩散只在稳定同位素和特殊物料的分离中有所应用，强制扩散则应用甚少。二、传质的形式（气体传质）1、分子扩散①定义：在浓度差或其他推动力的作用下，由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象，是质量传递的一种基本方式。②分类推动力：浓度梯度最一般的普通分子扩散传质

温度梯度热扩散

压力梯度压力扩散

除重力以外其他力（电场力、磁场力…）强制扩散2、对流传质（convectivemasstransport）①定义：对流传质通常指运动流体与固体壁面（或两股直接接触的流体之间）间的质量传递，是相际传质的基础。这种过程既包括由流体位移所产生的对流作用，同时也包括流体分子间的扩散作用。这种分子扩散和对流扩散的总作用称为对流传质。

对流传质

分子扩散

对流扩散②对应于传热学对流传热③分类：强迫对流传质；自然对流传质；紊流传质；相际传质3、湍流扩散①定义：湍流运动导致混合气体的某组分与其他组分的混合。②属于宏观运动③忽略分子扩散作用4、混合扩散①气体中的分子团簇扩散呈气溶胶运动特性，用气溶胶动力学能较好描述；②燃烧微粒形成和传质机理尚不明确。大气湍流三、燃烧相关传质问题层流火焰：由于燃烧化学反应的出现，火焰内部的不同气体的浓度分布将有所不同，燃烧反应强烈的地方，燃气和氧气浓度低一些，燃烧产生烟气浓度高一些，燃气、氧气和烟气必然交叉渗透，这种由于不同气体浓度差异，造成的不同气体相互质量传递，从传质学角度，这种各气体间的相互运动，这就是分子扩散传质的过程。湍流火焰：湍流火焰的不同气体物质的相互质量传递明显较层流火焰复杂，除了各气体浓度差造成不同气体的分子扩散型传质，显然，流体湍流的强烈涡流结构也将有效的混合燃气、氧气、烟气，这种气体间的质量传递称为涡流扩散。在高度湍动的湍流火焰里，涡流扩散的效应是非常大的，所以，在湍流火焰中存在所谓的自由湍流的涡流扩散传质过程。补充说明：几乎所有的工业火焰都是湍流火焰。当液滴和颗粒足够小，液滴、颗粒、湍流气体形成湍流多项流，这里发生的质量传递问题极为复杂，这就是燃烧中存在的多项流传质问题3-2分子扩散一、基本概念1、浓度分数（以A、B二组分混合物为例）质量分数YA：

摩尔分数xA:

2、分子扩散速度（V气体混合物整体速度、流体力学速度；Vi:i种气体组分速度；）

3、质量通量与分子扩散通量①质量通量(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。公式：通量是浓度和扩散速度的乘积，其单位由相应的浓度和速度的单位决定，质量通量：kg/(m2•S)；摩尔通量：mol/(m2•S);组分i的分子扩散速度=Vi-V，是指表示相对于整体平均流动速度的运动速度，分子扩散的重要度量参数；净运动速度、代表i组分在分子扩散中的净传质量；②分子扩散通量：指多组分混合气体中，A物质由于分子扩散效应所引起的质量传递的质量通量。定义式：分子扩散通量是质量密度和分子扩散速度的乘积。概念相似于热通量Q’’（HeatFlux，ThermalFlux）也称热流密度，具有方向性，其大小等于沿着这方向单位时间单位面积流过的热量，方向即为沿等温面之法线方向，且由高温指向低温方向。二、分子扩散基本定律—斐克第一定律1.分子扩散通量的斐克定律表达式：mA’’:A的分子扩散通量；DAB：A气体相对于B气体的扩散系数；负号表示传质方向是A的气体浓度的反方向，即从高浓度分子区到低浓度分子区物质的分子扩散系数表示它的扩散能力，是物质的物理性质之一。根据菲克定律，扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度梯度的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量。

质量扩散系数D和动量扩散系数ν及热量扩散系数α具有相同的单位（m2/s）或（cm2/s），扩散系数的大小主要取决于扩散物质和扩散介质的种类及其温度和压力。质扩散系数一般要由实验测定。2、气体双组份分子扩散系统的重要结论：①零和效应：系统总传质的质量通量为0推广：n组份系统同样成立②DAB=DBA注：本节讨论的分子扩散，是指气体混合物中的物质依靠分子运动从高浓度转移到低浓度的过程，分子扩散在静止或呈层流流动的流体中进行。三、分子运动论考虑一个简单地分子扩散问题：静止的A、B双组分气体薄层，气体分子为刚性球体，分子间无吸引力，分子质量相等。假设在气体薄层的x方向存在一个足够小的浓度梯度，可认为在几个分子的平均自由程范围内，这种组分浓度基本成线性分布。

得到结论：3-3对流传质近壁面处速度边界层、浓度边界层、热边界层的比较：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（牛顿输运公式）三、对流传质系数kc对流传热系数：牛顿（Newton）冷却公式（Newton‘slawofcooling）中的比例系数，一般记做h，单位是W/(㎡*K)，含义是对流换热速率。大小与对流传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有着密切的关系。传质系数kc，不仅取决于流态、流体物性、系统的几何形状与位置，还与浓度差有密切的关系

。确定kc的主要方法是浓度边界层理论和动量、热量、质量传递的相似比拟法（三传类比）。

类似于对流传热基本计算式——牛顿（Newton）冷却公式q=hΔT=h（Tw-Tf）；其中，Tw及Tf分别为壁面温度和流体温度，℃。这三种传递过程有相同的传递机理，相同的数学表达形式。1874年O.雷诺首先指出热量与动量传递之间的类似性，并给出摩擦因子与传热分系数之间的定量关系。随后L.普朗特于1910年、G.I.泰勒于1916年和T.卡门于1939年相继对雷诺类比作了改进。有的提出了新的类比关系，并推广到动量传递和质量传递的类比。在类比关系的基础上，可以根据已知的一类传递规律，类推其他两种传递的规律。三传类比：指传递过程中的动量传递、热量传递和质量传递三者之间定量的类比关系。常见的类比关系有以下四种：雷诺类比雷诺假定单位时间内质量为M的流体微团,从距壁面一定距离处向壁面运动，其流速由u降为零。以整个流场均为湍流的假设为基础，认为流体微团直接将热量带到了壁面，而忽略了近壁处存在层流底层。普朗特类比普朗特考虑到壁面附近有层流底层，流体到达层流底层后，不再以对流方式而以热传导方式进行传热。卡门类比卡门在前人的基础上提出一个三层模型，他认为，在湍流核心与层流底层之间还有一个过渡区。柯尔本类比A.P.柯尔本应用管内湍流传热的经验式Nu=0.023Re0.8Pr1/3、范宁摩擦因子的经验式f=0.046Re，上述其他三个类比应用于传质时,也有相对应的关系式。在Hr=0.5～50的范围内j因子经常用于关联传热、传质的实验数据。当出现边界层分离时，除了摩擦阻力外，还存在压差阻力（流动阻力），这时类比式不再适用，但jd和jh仍相等。五、常用准则数流体力学中常用准则数：雷诺数(Reynolds)：欧拉数(Euler)：弗劳德数(Froude)：韦伯数(Weber)：马赫数(Mach)：准则数名称定义式释义毕渥数Bi固体内部导热热阻与其界面上换热热阻之比。傅立叶数Fo非稳态导热过程的无量纲时间，表征过程进行的深度。格拉晓夫数Gr浮升力与粘滞力之比的一种度量。努塞尔数Nu壁面上流体的无量纲温度梯度。普朗特数Pr动量扩散厚度与热量扩散厚度之比。雷诺数Re惯性力与粘滞力之比的一种度量。传热学中常用准则数：L为特征尺寸；舍伍德数是反映包含有待定传质系数的无因次数群，类似于传热中的努塞特数，以符号Sh或Nsh表示，它表征的是对流传质与扩散传质的比值，命名为Sherwood，主要是为了纪念美国著名化学工程家ThomasKilgoreSherwood。对流传质中常用准则数：施密特数（Schmidtnumbe