熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程 傳質(zhì)概論

熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程第2章1傳質(zhì)概論（3）質(zhì)量分數(shù)定義：混合物中某組分的質(zhì)量與混合物總質(zhì)量之比稱為該組分的質(zhì)量分數(shù)組分A的質(zhì)量分數(shù)混合物的總質(zhì)量設(shè)混合物由N個組分組成，則有混合物中A組分的質(zhì)量（4）摩爾分數(shù)定義：混合物中某組分的物質(zhì)的量與混合物的總質(zhì)量之比稱為該組分的摩爾分數(shù)。設(shè)混合物中由N個組分組成，則混合物總物質(zhì)的量，kmol組分A的摩爾分數(shù)混合物中A組分物質(zhì)的量，kmol（１）傳質(zhì)的速度－組分Ａ、Ｂ通過系統(tǒng)內(nèi)任一靜止平面的速度，稱為絕對速度—二元混合物通過此平面的速度，稱為主體速度或平均速度—代表相對主體流動速度的移動速度，稱為擴散速度

絕對速度＝主體流動速度＋擴散速度

2.1.2傳質(zhì)速度和擴散通量靜止平面?zhèn)髻|(zhì)的速度uA混合物uA-uu(um)uBuB-u(2)傳質(zhì)通量定義：單位時間通過垂直于傳質(zhì)方向上單位面積的物質(zhì)的量稱為傳質(zhì)通量。傳質(zhì)通量等于傳質(zhì)速度與濃度的乘積。以絕對速度表示的質(zhì)量通量二元混合物的總質(zhì)量濃度為，則以絕對速度表示的質(zhì)量通量為混合物的總質(zhì)量通量為可以得到（2）傳質(zhì)通量同理，以絕對速度表示的摩爾通量為混合物的總摩爾通量以絕對速度表示的組分B的摩爾通量，koml/m2·s以絕對速度表示的總摩爾通量，koml/m2·s摩爾平均速度以擴散速度（相對速度）表示的質(zhì)量通量和摩爾通量—以擴散速度表示的組分Ａ的質(zhì)量通量，ｋｇ／ｍ２ｓ

—以擴散速度表示的組分Ａ的摩爾通量，ｋｍｏｌ／ｍ２ｓ對于雙組分系統(tǒng)以主體流動速度表示的質(zhì)量通量和摩爾通量主體流動速度與濃度的乘積以主體流動速度表示的組分A的質(zhì)量通量，kg,m2·s以主體流動速度表示的組分A的摩爾通量，kmol(m2·S)A組分質(zhì)量分數(shù)A組分摩爾分數(shù)2.1.3質(zhì)量傳遞的基本方式（1）分子傳質(zhì)（類比導熱）由于分子的無規(guī)則無規(guī)則熱運動而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。條件是存在濃度梯度。（2）對流傳質(zhì)對流傳質(zhì)：指壁面和運動流體之間，或兩個有限互溶的運動流體之間的質(zhì)量傳遞。流體做對流運動，當流體中存在濃度差時，對流擴散亦必同時伴隨著分子擴散，分子擴散與對流擴散兩者的共同作用稱為對流傳質(zhì)。在流體與液體或固體的兩相界面上完成的。湍流擴散在湍流流體中，由于存在著大大小小的漩渦運動，而引起各部位流體間的劇烈混合，在有濃度差存在的條件下，物質(zhì)便朝著濃度降低的方向進行傳遞。這種憑借流體質(zhì)點的湍流和漩渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象，稱為湍流擴散。2.2擴散傳質(zhì)2.2.1斐克定律在穩(wěn)態(tài)擴散條件下，無整體流動，二元混合物中組分A和組分B發(fā)生互擴散。組分A的質(zhì)量擴散通量，kg/(m2·s)組分A在組分B中的擴散系數(shù)，m2/s組分A的質(zhì)量濃度梯度，(kg/m3)/m以摩爾為基準的斐克定律組分A的摩爾擴散通量，kmol/(m2·s)組分A在擴散方向的濃度梯度，（kmol/m3)/m若在擴散的同時伴有混合物的主體流動，則物質(zhì)實際傳遞的通量除分子擴散通量外還應(yīng)考慮由于主體流動而形成的通量同理結(jié)論：組分的實際傳質(zhì)通量＝分子擴散通量＋主體流動通量有主體流動時的傳質(zhì)通量表示質(zhì)量濃度摩爾濃度2.2.2氣體中的穩(wěn)態(tài)擴散過程氣體分子擴散的兩種形式：雙向擴散和單向擴散（１）等分子反方向擴散p=pA+pBNANBpBpA壓力距離z1z2pA1pB1pB2pA2A、B兩組分組成的二元混合物中，組分A、B進行反方向擴散，二者擴散通量相等，則成為等分子反方向擴散（１）等分子反方向擴散分離變量并積分得（2）組分A通過停滯組分B的擴散設(shè)組分A、B兩組分組成的混合物中，組分A為擴散組分，組分B為不擴散組分（停滯組分），組分A通過停滯組分B進行擴散。水面上的飽和蒸汽向空氣中擴散以及化工吸收過程中水吸收空氣中的氨。單向擴散p=pA+pBNApB2pA2pBpApB1pA1z1z2B為不擴散組分，NB=0分離變量并積分得單向擴散漂流因數(shù)2.2.3液體中的穩(wěn)態(tài)擴散液體中的擴散通量方程當有主體流動時因液體中擴散系數(shù)隨濃度而變1點處的平均摩爾質(zhì)量2點處的平均摩爾質(zhì)量等分子反方向擴散擴散通量方程濃度分布方程二元混合物蒸餾時的液相中組分A通過停滯組分B的擴散例子：苯甲酸的水溶液與苯接觸時，苯甲酸A通過水向相界面擴散，越過相界面進入苯相中去，在相界面處，水不擴散，故NB=02.2.4固體中的穩(wěn)態(tài)擴散過程包括：氣體、液體和固體在固體內(nèi)部的分子擴散。例子：固體物料的干燥、固體吸附、固體除濕。分類：與固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本無關(guān)的擴散；與固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的多孔介質(zhì)中的擴散1、與固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)的穩(wěn)態(tài)擴散當流體或擴散溶質(zhì)溶解于固體中，并形成均勻的溶液。遵循斐克定律組分A的濃度很低，則溶質(zhì)A在z2-z1的兩個固體平面進行穩(wěn)態(tài)擴散時：2、與固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的多孔固體中的擴散原因：多孔固體中充滿了空隙和孔道，擴散與擴散物質(zhì)本身和孔道的尺寸密切相關(guān)

分子篩結(jié)構(gòu)為例說明孔道直徑的概念擴散物質(zhì)的平均自由程的概念分類：斐克型擴散、克努森擴散及過渡區(qū)擴散

分子運動時與另一分子碰撞以前所走的平均距離（1）斐克型擴散條件：固體內(nèi)部的孔道直徑d遠大于流體分子運動自由程，一般遵循斐克擴散定律擴散通量方程有效擴散系數(shù)多孔固體的空隙率，m3/m3曲折因數(shù)斐克型擴散d多孔固體中的斐克型擴散多孔固體示意圖z1z2zCA1CA2（2）克努森擴散條件：固體內(nèi)部的孔道直徑遠遠小于氣體分子的平均自由程，氣體分子與孔道壁面之間的碰撞機會會多于分子與分子之間的碰撞克努森擴散通量的表示d多孔固體中克努森擴散—孔道的平均半徑，m—組分A的分子平均速度，m/s克努森擴散系數(shù)分子平均速度擴散通量方程斐克定律形式條件克努森數(shù)（3）過渡區(qū)擴散條件：固體內(nèi)部孔道直徑與流體分子運動的平均自由程相差不大，克努森數(shù)范圍氣體分子間的碰撞和分子與孔道壁面之間的碰撞同時存在通量表示d其中過渡區(qū)擴散系數(shù)過渡區(qū)擴散過渡區(qū)擴散通量方程2.2.5擴散系數(shù)擴散系數(shù)：沿擴散方向，單位時間每單位濃度降的條件下，垂直通過單位面積所擴散某物質(zhì)的質(zhì)量或摩爾數(shù)。氣相中的擴散系數(shù)液相質(zhì)擴散系數(shù)固相中擴散系數(shù)質(zhì)量擴散系數(shù)、動量擴散系數(shù)、熱量擴散系數(shù)具有相同的單位或量綱，m2/s。擴散系數(shù)的大小取決于擴散物質(zhì)的種類、溫度和壓力。一般由實驗確定。是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，取決于擴散物質(zhì)、擴散介質(zhì)及其溫度和壓力氣體在空氣中的D，25℃，p=1atm氨-空氣2.81×10-5苯蒸汽-空氣0.84×10-5水蒸氣-空氣2.55×10-5甲苯蒸氣-空氣0.88×10-5CO2-空氣1.64×10-5乙醚蒸汽-空氣0.93×10-5O2-空氣2.05×10-5甲醇蒸汽-空氣1.59×10-5H2-空氣4.11×10-5乙醇蒸汽-空氣1.19×10-5表2-1氣-氣質(zhì)擴散系數(shù)和氣體在液體中的質(zhì)擴散系數(shù)D(m2/s)表2-1續(xù)表

表2-2氣體在空氣中的分子擴散系數(shù)D（

m2/s）p0=1.013×105Pa,T0=273K氣體D0×104氣體D0×104H20.511NH30.20O20.178H2O0.22N20.132SO20.103B.半經(jīng)驗公式估算T——熱力學溫度，K；p——總壓強，Pa；A、B

—

氣體A、B的分子量；VA、VB—

氣體A、B在正常沸點時液態(tài)克摩爾容積，。

擴散系數(shù)D與氣體的濃度無關(guān)，它隨氣體溫度的升高及總壓強的下降而加大。氣體溫度升高，氣體分子的平均運動動能增大，故擴散加快，隨著氣體壓強的升高，分子間的平均自由行程減小，擴散就減弱。

表2-3在正常沸點下液態(tài)克摩爾容積例題教材p32例2-4分析如用式2-22計算D值，可查表2-2，得水蒸汽的分子容積

VA=18.9水蒸汽的分子量A=18空氣的分子容積VB=29.9空氣的分子量B=28.9用式2-22計算的D值與表2-2查得的數(shù)據(jù)經(jīng)修正得到的D值相差20%左右。

⑵水