chap41傳質(zhì)原理

1、 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥第四章傳質(zhì)與干燥第四章傳質(zhì)與干燥 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥4.傳質(zhì)原理傳質(zhì)原理wateradding dyepartial mixinghomogenizationtime 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥4.1.1概述概述定義：定義：物質(zhì)分子的定向遷移過程稱為傳質(zhì)。物質(zhì)分子的定向遷移過程稱為傳質(zhì)。原因：原因：濃度差濃度差形式：形式：分子擴(kuò)散（傳導(dǎo)）分子擴(kuò)散（傳導(dǎo)）紊流擴(kuò)散（對(duì)流）紊流擴(kuò)散（對(duì)流） 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥濃度的表示方法：濃度的表示方法：質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度 ，摩爾濃度摩爾濃度 。3(/)ikg miC (/ )mol l對(duì)于多組分體系而言，對(duì)于多組分體系而言，11,nniiii

2、CC質(zhì)量濃度和摩爾濃度之間的關(guān)系：質(zhì)量濃度和摩爾濃度之間的關(guān)系：iii,iiiiCCMMCMCiMi體系總摩爾濃度體系總質(zhì)量濃度混合物的平均摩爾質(zhì)量組分的摩爾濃度組分的質(zhì)量濃度組分的單位摩爾質(zhì)量 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥對(duì)于氣體組成的混合物而言：對(duì)于氣體組成的混合物而言：,a8.314/(m)iiippCCRTRTp piPRRJol k混合氣體的總壓力和 組分的分壓力，通用氣體常數(shù)， 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥質(zhì)量分?jǐn)?shù)：質(zhì)量分?jǐn)?shù)：11,1iiiiniiniiwiw組分質(zhì)量濃度；體系總質(zhì)量濃度摩爾分?jǐn)?shù)：摩爾分?jǐn)?shù)：11,1iiiiniiniiCCxCiCCCx組分摩爾濃度；體系總摩爾濃度,piiiiCpx

3、piCp組分分壓力；氣體總壓力對(duì)理想氣體：對(duì)理想氣體： 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量n濃度梯度濃度梯度 ( mol/m3) (/m3)n凈質(zhì)量通量凈質(zhì)量通量 n凈摩爾通量凈摩爾通量 n分子擴(kuò)散質(zhì)量通量分子擴(kuò)散質(zhì)量通量n分子擴(kuò)散摩爾通量分子擴(kuò)散摩爾通量 ni2(/)iiinukg msnCi2(/)iiiNCukmol ms()iiijuu()iiiMJC uu 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥思考：思考：1.雙組分均相體系（雙組分均相體系（A、B）中各組分之摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)之關(guān)系？）中各組分之摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)之關(guān)系？2.CA與與A之關(guān)系？之關(guān)系？3.xA與與CA之關(guān)系？之關(guān)系？ A與與 A之關(guān)

4、系？之關(guān)系？4.對(duì)理想氣體，對(duì)理想氣體，C與與p之關(guān)系？之關(guān)系？ 與與p之關(guān)系？之關(guān)系？ 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥思考：思考：1.雙組分均相體系（雙組分均相體系（A、B）中各組分之摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)之關(guān)系？）中各組分之摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)之關(guān)系？2.CA與與A之關(guān)系？之關(guān)系？3.xA與與CA之關(guān)系？之關(guān)系？ A與與 A之關(guān)系？之關(guān)系？4.對(duì)理想氣體，對(duì)理想氣體，C與與p之關(guān)系？之關(guān)系？ 與與p之關(guān)系？之關(guān)系？1;1ABABxxAAACM;AAAACxC;AAAAAAAAAnpmn Mp MnpCCVRTVRTVVRT 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥Adolf Fick, a German physiologi

5、st and inventor,was born on August 3rd, 1829, in Kassel, Germany. In 1855, he introduced “Ficks Law of Diffusion”which described the dispersal of gas as it passes through a fluid membrane. 4.1.2 分子擴(kuò)散傳質(zhì)（傳導(dǎo)傳質(zhì)）分子擴(kuò)散傳質(zhì)（傳導(dǎo)傳質(zhì)） 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥Fick的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)Solid NaCl飽和溶液飽和溶液濃度為濃度為0FAB 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥菲克第一定律菲克第一定律 (Fic

6、ks First Law) 1855年年nCDJnCDJBBABAAABAB niCijDijJ擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量濃度梯度濃度梯度擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)單位：擴(kuò)散通量，單位：擴(kuò)散通量，J J，kmol/(mkmol/(m2 2s)s)；擴(kuò)散系數(shù)，；擴(kuò)散系數(shù)，D D，m m2 2/s/s； 濃度梯度，濃度梯度， ，kmol/(mkmol/(m4 4) )niC 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥nDjnDjBBABAAABABniijDijj“- -”號(hào)表示擴(kuò)散方向?yàn)闈舛忍荻忍?hào)表示擴(kuò)散方向?yàn)闈舛忍荻鹊姆捶较?，即擴(kuò)散由高濃度向的反方向，即擴(kuò)散由高濃度向低濃度區(qū)進(jìn)行。低濃度區(qū)進(jìn)行。 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥分子擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)

7、散系數(shù)DAB表示物質(zhì)擴(kuò)散能力強(qiáng)弱的系數(shù)表示物質(zhì)擴(kuò)散能力強(qiáng)弱的系數(shù)與擴(kuò)散物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)與擴(kuò)散物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)與擴(kuò)散物質(zhì)的介質(zhì)有關(guān)與擴(kuò)散物質(zhì)的介質(zhì)有關(guān)與溫度、壓強(qiáng)有關(guān)與溫度、壓強(qiáng)有關(guān) 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥氣體：溫度，壓力，與濃度氣體：溫度，壓力，與濃度C無關(guān)無關(guān)液體：溫度液體：溫度T，粘度，粘度，濃度，濃度C固體：溫度固體：溫度T，固體微結(jié)構(gòu)、與濃度關(guān)系不太大，固體微結(jié)構(gòu)、與濃度關(guān)系不太大 A BAB A BAB 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥固體：固體：固體組分間相互固體組分間相互擴(kuò)散擴(kuò)散斐克定律斐克定律外來氣體、液體外來氣體、液體進(jìn)入固態(tài)物質(zhì)孔隙進(jìn)入固態(tài)物質(zhì)孔隙的擴(kuò)散紐特森擴(kuò)的擴(kuò)散紐特森擴(kuò)散散 傳質(zhì)與干燥

8、傳質(zhì)與干燥不同物質(zhì)狀態(tài)下的擴(kuò)散系數(shù)：不同物質(zhì)狀態(tài)下的擴(kuò)散系數(shù)：DAB氣氣 10-5m2/sDAB液液 10-9m2/sDAB固固 10-19m2/s每每cm3分子數(shù)：分子數(shù)：O2 2.5 1019H2O 3.3 1022Cu 7.3 1022 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥4.1.2傳質(zhì)微分方程傳質(zhì)微分方程 -傳質(zhì)過程的連續(xù)性方程傳質(zhì)過程的連續(xù)性方程原理原理:質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律過程過程:X、Y、Z方向流入量方向流入量- X、Y、Z方向流出量方向流出量 凈質(zhì)量增量凈質(zhì)量增量xAN,dxxAN,zAN,dyyAN,yAN,dzzAN,M()()()0yxzuuuxyz 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥2022-6

9、-1019流場(chǎng)中的微元六面體流場(chǎng)中的微元六面體2dxx2dxx2dxxuuxx2dxxuuxx復(fù)習(xí)：運(yùn)動(dòng)流體的連續(xù)性方程復(fù)習(xí)：運(yùn)動(dòng)流體的連續(xù)性方程0zuyuxuzyx 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥 To conserve matter: Ficks First Law: Governing Eqn.:斐克第二定律：一維、斐克第二定律：一維、為常數(shù)，流體的整體為常數(shù)，流體的整體平均速度為零，系統(tǒng)內(nèi)平均速度為零，系統(tǒng)內(nèi)無化學(xué)反應(yīng)無化學(xué)反應(yīng)ddd 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥即：即：AABACDddC2穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散：穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散：0022AAC 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞.動(dòng)量傳遞和熱量傳遞微分方程動(dòng)量傳遞和熱量

10、傳遞微分方程AAzAyAxAAAACDzCuyCuxCuCzCyCxCD2222222)()()()(taztuytuxtutztytxtazyx2222222)()()()(uzuuyuuxuuuzuyuxuzyx2222222)()()()(動(dòng)量動(dòng)量熱量熱量質(zhì)量質(zhì)量動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)熱擴(kuò)散系數(shù)熱擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)散系數(shù) 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥4.1.3對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)流體的紊流擴(kuò)散與分子流體的紊流擴(kuò)散與分子擴(kuò)散聯(lián)合作用的結(jié)果擴(kuò)散聯(lián)合作用的結(jié)果濃度邊界層濃度邊界層:濃度達(dá)到中心濃度濃度達(dá)到中心濃度的的99 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥1 對(duì)流換熱的定義和性質(zhì)對(duì)流換熱的定義和性質(zhì)對(duì)流換熱是

11、指流體流經(jīng)固體時(shí)流體與固體表面之間的對(duì)流換熱是指流體流經(jīng)固體時(shí)流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象熱量傳遞現(xiàn)象 對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式對(duì)流換熱與熱對(duì)流不同，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱；不是基本傳熱方式 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥層流底層層流底層緩沖層緩沖層u紊流紊流過渡流過渡流層流層流cxyx 邊界層邊界層（Boundary layer）概念概念 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥層流邊界層層流邊界層速度梯度較均勻地分布于全層。速度梯度較均勻地分布于全層。湍流邊界層湍流邊界層在緊貼壁面處，仍有一層極薄層保在緊貼壁面處，仍有一層極薄層保持層流狀態(tài)，稱為層流持層流狀態(tài)，稱為層流 底層。底層

12、。速度梯度主要集中在速度梯度主要集中在層流底層層流底層。 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥熱邊界層熱邊界層 yx等溫流動(dòng)區(qū)等溫流動(dòng)區(qū)溫度邊界層溫度邊界層 t ,0wtt ,ut 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥對(duì)流傳質(zhì)的計(jì)算對(duì)流傳質(zhì)的計(jì)算:紊流傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)紊流傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù): ED=f(Re)層流層流:紊流：紊流：擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量:ddCDEJAABDAB)(ddCDJAABABddCEJADAB)(21AAABCCKJ 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥(4)(4)準(zhǔn)數(shù)方程準(zhǔn)數(shù)方程 以對(duì)流換熱過程為例以對(duì)流換熱過程為例準(zhǔn)數(shù)方程的簡化準(zhǔn)數(shù)方程的簡化Kf（Eu、Re、Ho、Fr、Pe、Fo、Nu）=0 Nu =f（Eu、Re、Ho、F

13、r、Pe、Fo）K流體運(yùn)動(dòng)方程：流體運(yùn)動(dòng)方程：Eu =f（Re、Ho、Fr）K Pe =Re.PrK穩(wěn)定速度場(chǎng)、穩(wěn)定溫度場(chǎng)：穩(wěn)定速度場(chǎng)、穩(wěn)定溫度場(chǎng)： Ho、 FoK準(zhǔn)數(shù)方程的一般形式：準(zhǔn)數(shù)方程的一般形式：Nu =f（Re、Fr、Pr） 自由流動(dòng)主要是由溫差引起自由流動(dòng)主要是由溫差引起 Nu =f（Re、Gr、Pr）K自然對(duì)流：自然對(duì)流：Nu =f（Gr、Pr） 相同流體：相同流體： Nu =f（Gr） 強(qiáng)制對(duì)流：強(qiáng)制對(duì)流：Nu =f（Re、Pr） 相同流體：相同流體： Nu =f（Re） 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥4.1.4對(duì)流傳質(zhì)的準(zhǔn)數(shù)方程對(duì)流傳質(zhì)的準(zhǔn)數(shù)方程對(duì)流換熱對(duì)流換熱:對(duì)流傳質(zhì)：對(duì)流傳質(zhì)：對(duì)

14、流傳質(zhì)的比擬關(guān)系式對(duì)流傳質(zhì)的比擬關(guān)系式PrRe,fNu ScfShRe,khlNu DlkSchaPrDSc 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥對(duì)流換熱與對(duì)流傳質(zhì)經(jīng)驗(yàn)公式之比較對(duì)流換熱與對(duì)流傳質(zhì)經(jīng)驗(yàn)公式之比較:1.0.6Pr120;120000Re10000h0.62500;2000Re35000Sc0.80.40.830.44管內(nèi)受迫流動(dòng)時(shí)：對(duì)流換熱準(zhǔn)數(shù)式：Nu=0.023RePr對(duì)流傳質(zhì)準(zhǔn)數(shù)式：S =0.023RePr1/2x1/2x2.h1/31/3流體沿平板流動(dòng)時(shí)：（1）層流對(duì)流換熱準(zhǔn)數(shù)式：Nu=0.332Re Pr對(duì)流傳質(zhì)準(zhǔn)數(shù)式：S =0.332Re Sc 傳質(zhì)與干燥傳質(zhì)與干燥對(duì)流換熱系數(shù)與對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系式對(duì)流換熱系數(shù)與對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系式 3232)Pr(LeCScCkhppc當(dāng)數(shù)一定時(shí)，則當(dāng)數(shù)一定