材料化學(xué)第三章傳質(zhì)

1、.第三章 傳質(zhì)引言：1。傳質(zhì)。傳質(zhì)（Mass Transfer）又稱“物質(zhì)傳遞”。傳質(zhì)屬于擴(kuò)散，它與擴(kuò)散的區(qū)別在于：傳質(zhì)多對(duì)應(yīng)于多相反應(yīng)中的擴(kuò)散，如液-氣反應(yīng)、氣-固反應(yīng)、固-液反應(yīng)、固-固反應(yīng)、不互溶的液-液反應(yīng)等。 2傳質(zhì)系數(shù)。對(duì)如圖*的情況，擴(kuò)散到中，設(shè)在表面的濃度為，離開(kāi)表面距離大于處濃度不變且為（）。則擴(kuò)散通量。定義“傳質(zhì)系數(shù)”，則 式3-1傳質(zhì)系數(shù)的單位是。擴(kuò)散通量可以用高濃度與低濃度之差乘以傳質(zhì)系數(shù)來(lái)計(jì)算，而這濃度差就是傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力。 3濃度邊界層。發(fā)生傳質(zhì)的物質(zhì)在反應(yīng)表面的濃度和離開(kāi)表面很遠(yuǎn)處的濃度是不同的。設(shè)物質(zhì)A在表面與B反應(yīng)，則濃度隨離開(kāi)表面的距離增大而降低，表面處的A

2、濃度應(yīng)低于無(wú)窮遠(yuǎn)處的A濃度。實(shí)際上，離開(kāi)表面一定距離后，A的濃度就接近不變了。如圖*，在圖上的（，0）點(diǎn)處做曲線的切線，與的反向延長(zhǎng)線交與一點(diǎn)，則此點(diǎn)到縱軸的距離為“濃度邊界層”厚度，它表示：當(dāng)離開(kāi)表面的距離超過(guò)后，我們就認(rèn)為濃度不再隨距離增大而降低了?；蛘哒f(shuō)，濃度隨距離的降低只發(fā)生在厚度內(nèi)。這個(gè)和我們?cè)诮榻B“傳質(zhì)系數(shù)”時(shí)用到的是一個(gè)概念，這樣可以簡(jiǎn)化問(wèn)題。當(dāng)然，“濃度邊界層”厚度不是固定的，它還隨反應(yīng)液體或氣體的流速、密度、粘度和溫度而變化，這也很好理解：我們把一塊方糖放入水中，在糖的每一個(gè)于水接觸的表面，就有上述的“濃度邊界層”。當(dāng)我們攪拌水時(shí)，相當(dāng)于加快了水的流動(dòng)速度，則因此下降，增加，

3、由式3-1可知傳質(zhì)通量增大，傳質(zhì)速度加快。 4控速環(huán)節(jié)。假設(shè)氣態(tài)的A 擴(kuò)散到固態(tài)的C表面，與C反應(yīng)生成氣態(tài)的B。這一反應(yīng)實(shí)際上由三個(gè)步驟組成：1）A 擴(kuò)散到C 表面；2）A反應(yīng)生成B；3）B離開(kāi)C 表面擴(kuò)散到氣相中。若用 分別表示A，B，C物質(zhì)從本體中擴(kuò)散到界面的擴(kuò)散通量（或稱傳質(zhì)通量），那么顯然只有當(dāng)=時(shí)，才能保證擴(kuò)散到界面的A恰好反應(yīng)完，且生成的B也恰好能運(yùn)輸走，A和B都不會(huì)在界面上堆積；三個(gè)步驟中哪一個(gè)速度比較慢，哪一個(gè)就控制了總反應(yīng)的速度，稱此步為“控速環(huán)節(jié)”。當(dāng)有控速環(huán)節(jié)時(shí)，A或B會(huì)在界面上有堆積。3。1 液體中的擴(kuò)散系數(shù) 為了研究液體中擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散系數(shù)，我們定義： R擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)的半

4、徑；（） 擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)的穩(wěn)定的移動(dòng)速度；（） 液體的粘度。（）某一個(gè)擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)受力。由，故淌度。又， 式3-1-1此式又叫做“斯托克斯愛(ài)因斯坦方程式”，它描述了質(zhì)點(diǎn)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)與液體性質(zhì)、質(zhì)點(diǎn)本身性質(zhì)和外部溫度的關(guān)系。為簡(jiǎn)化表示擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系，一般寫(xiě)成：的形式。一般情況下，液體中的擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量級(jí)在范圍內(nèi)，而固體中的擴(kuò)散系數(shù)數(shù)量級(jí)要小得多，在范圍內(nèi)。3。2 氣體中的擴(kuò)散系數(shù) 定義：為氣體分子的最可幾速率，其中的為氣體分子質(zhì)量； 為氣體分子直徑； P為氣體壓強(qiáng)； 為氣體分子的平均自由程。 對(duì)體系中只有一種氣體的情況，由氣體的擴(kuò)散系數(shù)，將式中的系數(shù)代入，得：，即。 對(duì)A和B的混合氣體，同理，

5、也有：。 從以上的式子中可以看出，溫度升高、氣體壓強(qiáng)下降、氣體分子質(zhì)量增加，都可以使氣體擴(kuò)散系數(shù)增大。3。3 氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散 氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散要受到孔壁的約束，表現(xiàn)出來(lái)的實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)小于上節(jié)我們討論過(guò)的氣體中的擴(kuò)散系數(shù)。我們用來(lái)表示A和B的混合氣體在多孔物質(zhì)中的有效擴(kuò)散系數(shù)，并用表示多孔介質(zhì)的氣孔率（01），用表示多孔介質(zhì)的“曲折度”（一般1，直孔的=1），那么有： 式3-3-1 氣孔率可用來(lái)計(jì)算。 下面我們討論多孔介質(zhì)中氣孔大小對(duì)氣體擴(kuò)散系數(shù)的影響：設(shè)為氣孔半徑，為擴(kuò)散的氣體分子直徑。若，則氣體分子多與孔壁碰撞，即，此時(shí)的表觀擴(kuò)散系數(shù)；若，則應(yīng)同時(shí)考慮氣體分子與孔壁的碰撞和與其

6、他氣體分子的碰撞，此時(shí)的表觀擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)不同的氣孔情況求出表觀擴(kuò)散系數(shù)并代入式3-3-1中，便可得到對(duì)應(yīng)的有效擴(kuò)散系數(shù)。 以一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明：用厚度為的鉑黑片提純氫氣，如圖*。在左面上：（下劃線表示固溶），平衡常數(shù)，則?？紤]氫氣在鉑黑中是穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，即，故擴(kuò)散通量： .若中間不是金屬片，而是多孔的分子篩，則在左面上氫氣濃度不是由固溶反應(yīng)求得，而是由公式確定，其中的為氣體的摩爾數(shù)。因?yàn)闅怏w濃度，故擴(kuò)散通量：，這里的就是氫氣在多孔分子篩中的有效擴(kuò)散系數(shù)。由于分子篩原理就是通過(guò)分子與孔壁的碰撞濾去氣體分子半徑大的氣體種類，故對(duì)應(yīng)于的情況，應(yīng)該用來(lái)計(jì)算。3。4 多相反應(yīng)中的傳質(zhì)過(guò)程 如圖*，假設(shè)氣相A擴(kuò)散到界面生成氣相的B，A和B的傳質(zhì)系數(shù)分別為和，則A和B的傳質(zhì)通量分別為：在界面上的反應(yīng)寫(xiě)作：，由，代入上兩式中，得： 式3-4-1假設(shè)：1）界面反應(yīng)速度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散，即擴(kuò)散是控速環(huán)節(jié)； 2）整個(gè)反應(yīng)是在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，=。那么：，即總擴(kuò)散通量： 式3-4-2也可將定義為“總傳質(zhì)系數(shù)”，則。 對(duì)于類型的三相反應(yīng)，同樣可以推出