第一章傳質(zhì)概論

第一章傳質(zhì)概論第1頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1概述——認(rèn)識(shí)傳質(zhì)我們大家都學(xué)過化學(xué)，知道化學(xué)反應(yīng)過程有三個(gè)基本環(huán)節(jié)，不但需要有參與反應(yīng)的物質(zhì)，更重要的是參與反應(yīng)的物質(zhì)必須接觸，接觸以后才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；而且，反應(yīng)的產(chǎn)物必須及時(shí)的排除，及時(shí)離開反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)，否則過高的產(chǎn)物濃度會(huì)影響反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行。那么這個(gè)參與反應(yīng)的物質(zhì)從其它地點(diǎn)“趕往”反應(yīng)地點(diǎn)的過程，反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)地點(diǎn)離開、“排除”到其它地方的過程，都是物質(zhì)傳輸?shù)倪^程，在“三傳”上，也叫質(zhì)量傳輸過程。我們要想控制反應(yīng)過程，我們希望的反應(yīng)如何進(jìn)得快一點(diǎn)、徹底一點(diǎn)，我們不希望的反應(yīng)如何盡量慢、盡量少地發(fā)生，都需要研究物質(zhì)的傳輸過程。第一章質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍钯|(zhì)量傳輸課件第2頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月熱量傳輸課件反應(yīng)物A產(chǎn)物AmBn反應(yīng)物B物質(zhì)濃度第3頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月冶金過程是一個(gè)高溫化學(xué)反應(yīng)過程，它充滿了質(zhì)量傳輸現(xiàn)象。它發(fā)生在不同的物質(zhì)之間、或不同的相之間、或同一體系的不同地點(diǎn)之間；冶金過程是一個(gè)多相反應(yīng)體系，控制反應(yīng)的傳質(zhì)過程大多數(shù)則發(fā)生在兩相物質(zhì)之間。后面要講，因?yàn)橄嚯H之間的傳質(zhì)主要靠擴(kuò)散。為什么這么說呢?高溫反應(yīng)的一個(gè)特點(diǎn)就是：在過程的三個(gè)基本環(huán)節(jié)中，由于反應(yīng)物質(zhì)的活化能都比較高，因此化學(xué)反應(yīng)環(huán)節(jié)往往不是整個(gè)過程的限制性環(huán)節(jié)。前面已篇我們講述了傳熱過程。如果說傳熱過程影響冶金反應(yīng)的進(jìn)行，那么在大多數(shù)情況下它是間接影響的，盡管許多情況下這個(gè)影響非常之大；而物質(zhì)傳輸對(duì)冶金反應(yīng)的影響則是直接的，因此多數(shù)情況下是最重要的影響。質(zhì)量傳輸課件那個(gè)環(huán)節(jié)起決定作用呢？傳質(zhì)限制環(huán)節(jié)傳熱限制環(huán)節(jié)化學(xué)反應(yīng)環(huán)節(jié)第4頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月也就是說，如果體系的吉布斯自由能能夠降低，只要參與反應(yīng)的物質(zhì)能夠順利地接觸，只要反應(yīng)產(chǎn)物能夠順利排出，那么，這個(gè)反應(yīng)都能順利進(jìn)行。因此，“使反應(yīng)物質(zhì)能夠順利接觸、排出”的這個(gè)傳質(zhì)過程，往往是高溫冶金過程的關(guān)鍵性和限制性環(huán)節(jié)，它決定著整個(gè)冶金過程進(jìn)行的快慢，甚至決定是否能夠進(jìn)行，因而成為直接影響冶金過程的傳輸現(xiàn)象。例如濺渣護(hù)爐過程氣化脫磷反應(yīng)。

物質(zhì)傳輸過程，也叫質(zhì)量傳輸，簡(jiǎn)稱傳質(zhì)。傳質(zhì)的機(jī)理從微觀上說，是以傳質(zhì)的不同形式而不同，從宏觀上說都是遵從熱力學(xué)第二定律，也就是“熵增”原理。什么是傳質(zhì)？質(zhì)量傳輸課件第5頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月從熵增原理（熱力學(xué)機(jī)率增大）說，只要有濃度差存在，傳質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生是必然的。1.2兩種質(zhì)量傳輸方式質(zhì)量傳輸?shù)幕痉绞接袃煞N：①分子擴(kuò)散傳質(zhì)

地點(diǎn)：一般說來，擴(kuò)散傳質(zhì)發(fā)生在固體介質(zhì)中、或靜止的流體介質(zhì)中、或作層流流動(dòng)的流動(dòng)介質(zhì)中。 機(jī)理：從微觀上說，它是依靠物體微觀粒子的隨機(jī)分子運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)）發(fā)生的，由于熵增原理的作用，當(dāng)存在濃度差時(shí)，分子從濃度高的地方運(yùn)動(dòng)到濃度低的地方后，返回濃度高的地方的幾率相對(duì)較小，從而在濃度差的作用下導(dǎo)致了分子的定向運(yùn)動(dòng)，使?jié)舛融呌诰鶆蛞恢?，從而完成宏觀的物質(zhì)傳輸。質(zhì)量傳輸課件分子擴(kuò)散傳質(zhì)對(duì)流流動(dòng)傳質(zhì)第6頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月高濃度區(qū)低濃度區(qū)濃度趨于平衡質(zhì)量傳輸課件 類比：擴(kuò)散傳質(zhì)與傳導(dǎo)傳熱、粘性動(dòng)量擴(kuò)散過程的背景都是微觀粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，因此，擴(kuò)散傳質(zhì)與粘性動(dòng)量擴(kuò)散、導(dǎo)熱密切相關(guān)，有著類似的數(shù)學(xué)表達(dá)式：菲克擴(kuò)散定律傅立葉導(dǎo)熱定律牛頓粘性定律第7頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，jA或JA表示與n相反方向上的擴(kuò)散傳質(zhì)通量，即單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)的量，分別為g·m-2·s-1，和mol·m-2·s-1；

質(zhì)量傳輸課件能滲透的金屬膜不能滲透的器壁接高壓（p１）容器接高壓（p２）容器氣體通過金屬隔膜中的擴(kuò)散示意圖第8頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)量傳輸課件DA

是A物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1，與濃度表示方式無關(guān)；ρA和CA分別為A物質(zhì)的濃度，單位分別為g·m-3和mol·m-3；n為A物質(zhì)等濃度曲面的法線方向長(zhǎng)度，單位為m。特點(diǎn)通常無流動(dòng)情況下，分子擴(kuò)散傳質(zhì)很緩慢，傳輸?shù)奈镔|(zhì)量是很小的。第9頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)量傳輸課件②對(duì)流傳質(zhì)（對(duì)流流動(dòng)傳質(zhì)）對(duì)流傳質(zhì)特點(diǎn)地點(diǎn)機(jī)理類比流向傳質(zhì)傳質(zhì)方向與流體宏觀流動(dòng)方向一致發(fā)生在同相流體不同濃度部分之間依靠宏觀的流體流動(dòng)來傳輸物質(zhì)熱對(duì)流非流向傳質(zhì)傳質(zhì)的方向與流體宏觀流動(dòng)方向垂直，有邊界層存在多發(fā)生在不同濃度的相際之間相內(nèi)有流動(dòng)但相際之間沒有宏觀的流動(dòng)，是分子擴(kuò)散和對(duì)流的共同結(jié)果對(duì)流給熱第10頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)量傳輸課件流向傳質(zhì)：當(dāng)傳質(zhì)方向與流體流動(dòng)方向一致時(shí)，A物質(zhì)在介質(zhì)中傳質(zhì)通量為：其中，vA是A物質(zhì)的流動(dòng)速度，v是流體的流動(dòng)速度，顯然vA應(yīng)該包括因擴(kuò)散（包括湍流擴(kuò)散）而造成的A物質(zhì)流動(dòng)速度部分vA*。第11頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)量傳輸課件注意：式中：式中：第12頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月或：質(zhì)量傳輸課件其中包含：非流向傳質(zhì)：當(dāng)對(duì)流流動(dòng)傳質(zhì)發(fā)生在相際之間時(shí)，傳質(zhì)方向一般垂直于流動(dòng)方向，類比于對(duì)流給熱（包括湍流、層流）：第13頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)量傳輸課件1.3關(guān)于傳質(zhì)通量的量綱第14頁，課件共17頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)量傳輸課件思考題1.什么是傳質(zhì)？2.質(zhì)量傳輸?shù)膬煞N方式？3.菲克定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式是什么？