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1、传 输 原 理,质量传输,单一组分物质在平衡状态下的动量和热量传输现象,存在两种或两种以上组分，浓度连续变化，必存在一种旨在减少浓度差的质量传输现象,某一组分从高浓度区域向低浓度区域的传输过程， 称为质量传输，或传质,三传的类似性,其推动力是浓度差,冶金过程中的传质发生在不同的物质和不同的浓度之间，而大多数则发生在二相物质之间,氧化、还原、燃烧、汽化、渗碳等 气 固相间 吸收、吹炼 气 液相间 溶解、浸出、置换 液 固相间,分子传质,典型的分子扩散传质发生在流体介质和固体介质中，亦发生在流动的流体作层流运动时。,当体系存在浓度差时，浓度大的分子破坏了均衡态而导致了定向的分子运动，促使浓度大的区
2、域的分子趋向浓度小的区域，而达到浓度一致，从而完成宏观的质量传输。通常情况下，分子扩散传质是很缓慢的，传递的质量亦是很少的。,不依靠宏观的混合作用发生的传质现象,本质,微观粒子的随机的分子运动,分子传质,基本物理定律菲克第一定律,扩散摩尔通量,组分A在混合物AB中的扩散系数,单位时间内，组分A通过与扩散方向垂直的单位面积的摩尔数,摩尔浓度,扩散方向上的距离，m,对流传质,发生在运动着的流体与固体表面之间，或互不相溶的两种或多种运动着的流体之间的质量传输现象,基本方程,对流传质 摩尔通量,浓度差,对流传质系数,NA=CAuA,对流流动传质,浓度的定义及其表示方法,质量浓度：单位体积混合物中组分i
3、的质量,摩尔浓度：单位体积混合物中组分i的摩尔数,质量分数：组分i的质量浓度除以混合物的总质量浓度,摩尔分数：组分i的摩尔浓度除以混合物的总摩尔浓度,以双组分A、B 的混合物为例，它们的关系为,= A + B kg/m3 C = C A+CB mol/m3 A= (A / ) % B= (B / ) % A=(CA / C) % B=(CB / C ) %,浓度的定义及其表示方法,浓度场、浓度梯度、浓度附面层,浓度场,某组分浓度在空间的分布及随时间变化规律叫该组分的浓度场。,C i =f（x，y，z，）,Ci =f（x，y，z）,C i / =0,稳定浓度场；在该场中传质即为定态传质,浓度场的
4、维数,浓度场、浓度梯度、浓度附面层,浓度梯度,浓度梯度的定义为,gradC=dC/dz,在传质方向上单位距离的浓度变化量,浓度附面层,有浓度梯度的区域叫浓度附面层,C -Cw =0.99（CfCw）,速度的定义及其表示方法,质量浓度,摩尔浓度,质量分数,摩尔分数,相对于静止坐标系的速度,对于一个n元系统，局部的质量平均速度：,局部的摩尔平均速度：,菲克第一定律仅适用于表述由于组分浓度梯度所引起的分子传质的通量，但分子扩散的同时，各组分的分子微团都处于运动状态？,某组分相对于平均速度的速度,扩散速度,速度的定义及其表示方法,相对于静止坐标系的速度,扩散速度：,二元系统,质量通量,单位时间内通过单
5、位面积的组分i的质量，一矢量,通量单位 参考坐标系,摩尔通量,单位时间内通过单位面积的组分i的摩尔数，一矢量,恒定总浓度c的双组分混合物中，组分A以扩散速度 进行分子扩散时的摩尔通量,扩散摩尔通量,摩尔浓度,组分A在混合物AB中的扩散系数,扩散方向上的距离，m,单位时间内，组分A通过与扩散方向垂直的单位面积的摩尔数,恒定总密度的双组分混合物中，组分A以扩散速度 进行分子扩散时的质量通量,扩散摩尔通量,摩尔浓度,质量浓度,扩散质量通量,总浓度或总密度为常数,扩散摩尔通量,扩散质量通量,一般情况,扩散摩尔通量,一般情况,平均速度为常数,一般情况,平均速度为常数,三维,一般情况,平均速度为常数,三维
6、,质量通量,双组分混合物传质时，组分A的总通量，扩散通量和 主体流动通量的定义式和Fick定律表达式,浓度梯度为1时，在单位时间内，沿扩散方向通过单位面积的某组分质量,压力 温度 体系组成,气体 液体 固体,扩散系数,二元系：A、B,组分A的质量流量,质量守恒定律,二元系：A、B,组分A的质量流量,组分A的质量积累速率,组分A的质量生成速率,质量守恒定律,二元系：A、B,组分A的连续性方程,质量守恒定律,二元系：A、B,组分A的连续性方程,组分B的连续性方程,+,质量守恒定律,二元系：A、B,二元混合物的连续性方程,质量守恒定律,二元系：A、B,二元混合物的连续性方程,摩尔浓度,二元混合物的连
7、续性方程,质量守恒定律,IP-OP+R=S,质量守恒定律,组分A沿x方向输入微元体总的质量流量,组分A沿x方向输出微元体总的质量流量,组分A沿x方向在微元体净质量流量,质量守恒定律,S项,R项,rAdxdydz,质量守恒定律,通用的传质方程,质量守恒定律,总密度或总浓度恒定，DAB为常数，有化学反应的不稳态三维对流传质过程。,双组分系统不可压缩流体的传质微分方程,常物性,分子传质微分方程,常物性系统内不发生化学反应， 且不考虑主体流动情况,菲克第二定律,总密度或总浓度恒定，无化学反应时，在固体或停滞流体中的不稳态三维分子扩散传质过程。,初始条件,边界条件给定表面浓度,边界条件给定表面通量,边界
8、条件给定化学反应速率,边界条件对流传质,讨论在不流动介质（停滞介质）或固体中由于分子 扩散引起的质量传递。 分子扩散传质的机理与导热类似，二者均由于分子的无规则运动而发生能量或质量的传递。 导热过程中，在热流方向上没有介质质点的宏观运动，而分子扩散传质时，虽然整个介质是不动的，但各组分的质点都处于运动状态中，由于它们的扩散性质不同运动速度亦不同，从而出现各组分的相对速度。,停滞的二元体系,Z=Z1、CA=CA1、Z=Z2、CA=CA2,假定扩散是通过二个平面进行，且面积不变，则稳定时NA和NB均为常数，DAB取平均值亦为常数，,积分,双组分系统在停滞状态下，一维稳态扩散时的通用积分方式。,组分
9、A通过停滞组分B的稳态扩散,在静止的介质中，一维分子扩散 的形式：双向扩散和单向扩散。,扩散通量表达式,在组分A和B的气体混合物中，停滞组分是指净的扩散通量为零的组分。此种扩散的例子很多，如水在大气中的蒸 发、空气不溶于水即为停滞组分。水的蒸发是水蒸气通过停滞空气的扩散过程，水由空气 氨气混合物中吸收氨的过程都是此种情况。由于此种二元扩散系统只有一种组分沿一个方向扩散，故可称为单向扩散。,单向扩散,扩散组分为A，B为停滞组分，则NB=0、NA=Const，则 NA/(NA+NB)=1,XA=CA/C=PA/P,PPA1=PB1,PPA2=PB2,浓度分布,NB=0,ln（1XA）= C1Z+C
10、2,ln（1XA）= C1Z+C2,浓度分布,Z=Z1 XA=XA1=PA1/P,Z=Z2 XA= XA2=PA2/P,组分A通过停滞组分B定态扩散时的浓度分布为对数型，依此可求任一扩散距离处（Z）组分的浓度及平均浓度。,等摩尔逆扩散,通量表达式（双组分扩散系统）,等摩尔逆扩散即NA=NB的扩散，即A的净扩散通量与B的净扩散通量大小相等、方向相反的扩散。多发生在蒸发潜热相等的蒸馏过程。如A组分向液面扩散并溶于液体，而每mol A组分放出的溶解热恰好使1mol的B组分蒸发，此种扩散即为等摩尔逆扩散。,双向扩散,NA= DABC（dA/dz）+ xA（NA+NB）,NA=NB,等摩尔逆扩散的通量表
11、达式,传质微分方程,浓度分布,CA=C1Z1+C2,Z = Z1 ，CA = CA1 =C（ PA1/P）,Z = Z2 ，CA = CA2 =C（ PA2/P）,浓度分布为线性分布,液体中的稳态分子扩散速率方程,若总浓度和扩散系数均为常数时，前面的方程均可用,但对液体而言，A的扩散系数随其浓度而变，且总浓度并非处处一致，由于目前对液体的扩散理论不够成熟，对溶质A在溶剂B中的稳态扩散问题仍用气体的通用速率方程。但式中的DAB应用平均扩散系数代替，总浓度以平均总浓度代替。,液体的平均总浓度,溶质A在溶剂B中的平均扩散系数,组分A通过停滞组分B的稳态扩散,NA=Const NB=0,当液体为稀溶液
12、时， A1，则B,lm=1,等摩尔逆扩散,NA= NB,此二式与二元气体中的计算式相类似,冶金中此种扩散较为常见，如矿石的还原、煤的燃烧、砂型的干燥等。此种扩散属相际扩散，且与孔的大小、多少、结构状态有关。据不同的情况可分为三种类别。,分子扩散的类型,与固体内部结构无关的扩散，与静止液体中的扩散相似。,如：金与银中的扩散，氢、氧通过橡胶的扩散等，此种扩散的机理较复杂，并因不同的物质而异，但仍用Fick定律描述。,与固体内部结构有关的扩散（多孔介质中的扩散）,固体的空隙度,曲折系数,2r 100,菲克扩散型,努森扩散型,2r0.1,过渡区扩散,2r,与固体内部结构有关的扩散,通过平板的扩散,NA
13、= DABC（dA/dz）+ xA（NA+NB）,NA= DABC（dA/dz）,没有主体流动,与固体内部结构无关的扩散,通过柱形面或球面的扩散,扩散流量 mol/s,扩散面积 m2,微分方程,不稳态传质（扩散）的浓度场为CA=f（x、y、z、）,对于无化学反应，DAB为常数的固体而言，微分方程为,导热微分方程,形式完全一样，如果定解条件相当，则不稳态导热的解的结果 均可应用到传质中。,对流传质,在冶金过程中，对流传质远比扩散传质重要，有更广泛的意义。如：固体燃料燃烧时，空气中的氧气向燃料表面的传输，高炉炼铁时炉气中的CO向矿石表面的传输，转炉炼钢中氧气流中的 O2向钢液表面的传输，及铸造时砂
14、模中的水 汽向流动空气的传递等。,NA=kc (CAfCAw)F mol/s,对流传质系数,传质面积,流体中A的平均浓度,壁面上组分A的浓度,分子传质,流动传质,ZHZW,transfers,对流传质的类型,按流体流动发生的原因,强制对流传质 自然对流传质,按流体的作用方式,流体作用于固体壁面 一种流体作用于另一种流体,对流传质机理,以流体强制湍流流过固体壁面时的传质过程为例,研究方法：连续介质模型,动量传递机理牛顿粘性定律,对传递过程是从宏观上而不是从微观上进行研究 研究重点放在流体上,传递机理,研究基础：实验定律,动量扩散系数,单位体积流体的动量,单位体积流体x方向的动量在y方向上的梯度,粘性动量通量：x方向的动量在y方向上传递的通量,热量传递机理傅立叶导热定律,传递机理,热扩散系数,单位体积物体具有的热量,单位体积物体在y方向上的热量浓度梯度,质量传递机理菲克扩散定律,组分A在混合物AB中的扩散系数,摩尔浓度梯度,ZHZW,transfers,17. 三传的类似性,热量通量,扩散摩尔通量,牛顿粘性定律,传递机理的相似性,菲克扩散定律,傅立叶导热定律,牛顿粘性定律,物性参数的相似性,菲克扩散定律,傅立叶导热定律,流体的分子传递性质,
