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1、传质学传质学1 1第十章第十章 传质的基本概念传质的基本概念简介简介 传质是指在两种或两种以上的组元构成的传质是指在两种或两种以上的组元构成的混合物系中，如果其中各处混合物系中，如果其中各处浓度不同浓度不同(存在存在浓度差浓度差)时，则必发生减少浓度不均匀性的时，则必发生减少浓度不均匀性的过程，各组元将由浓度大的地方向浓度小过程，各组元将由浓度大的地方向浓度小的地方迁移，即质量传递现象。的地方迁移，即质量传递现象。2 2请同学们认真读第一节内容，找出以下概念分子扩散（扩散）分子扩散（扩散）；传热和传质的推动力传热和传质的推动力传质的八种传质的八种形形式式；质量传递的基本形式质量传递的基本形式；
2、分子扩散分子扩散; ; 质量对流质量对流; ; 对流扩散对流扩散重（质）量比重（质）量比; ; 容积比容积比 浓度浓度的定义的定义 质量浓度质量浓度；质量分数质量分数 摩尔浓度摩尔浓度；摩尔分数摩尔分数3 310-1 传质的基本原理传质的基本原理分子扩散（扩散）分子扩散（扩散）： 分子总是处在不规则的热运动中，在有两种物质分子总是处在不规则的热运动中，在有两种物质组成的二元混合物中，如果各区域存在浓度差别，组成的二元混合物中，如果各区域存在浓度差别，由于分子运动的随机性，物质的分子会从浓度高由于分子运动的随机性，物质的分子会从浓度高的区域向浓度低的区域转移的区域向浓度低的区域转移传热的推动力传
3、热的推动力 温度差温度差传质的推动力传质的推动力 浓度差浓度差4 4一、传质基本形式一、传质基本形式 基本原理基本原理传质现象归结为八种形式：传质现象归结为八种形式：1浓度梯度引起的分子浓度梯度引起的分子(普通普通)扩散扩散2温度梯度引起的热扩散温度梯度引起的热扩散3压力梯度引起的压力扩散压力梯度引起的压力扩散4除重力以外的其他外力引起的强迫扩散除重力以外的其他外力引起的强迫扩散5强迫对流传质强迫对流传质6自然对流传质自然对流传质7紊流传质紊流传质8相际传质相际传质分分子子扩扩散散对对流流扩扩散散5 5质量传递的基本形式质量传递的基本形式分子扩散分子扩散质量对流质量对流对流扩散对流扩散质量交换
4、、热量交换、动量交换三者在机理上质量交换、热量交换、动量交换三者在机理上是类似的是类似的：分子扩散和对流扩散：分子扩散和对流扩散 ：在静止的流体或垂直于浓度梯度方在静止的流体或垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体以及固体中由微观粒子运动向作层流运动的流体以及固体中由微观粒子运动所引起的扩散所引起的扩散 ：当流体作紊流或层流流动时，质量当流体作紊流或层流流动时，质量交换过程除层流底层的微观粒子扩散外，还依靠交换过程除层流底层的微观粒子扩散外，还依靠流体各部分间的宏观相对位移引起的流体各部分间的宏观相对位移引起的质量对流质量对流：分子扩散和质量对流的联合作用分子扩散和质量对流的联合作用6 6二、基本
5、定义和公式二、基本定义和公式1.1.理想混合气体理想混合气体p理想气体状态方程式理想气体状态方程式p分压力定律分压力定律p分容积定律分容积定律p重量比重量比p容积比容积比pRgi与与Rg的关系的关系7 7p理想气体状态方程式理想气体状态方程式 : : pV=nRT pVmRgT pvRgT p=RgTRg=R/M8 8Daltons law of partial pressurep分压力定律分压力定律p T Vp T Vp T Vp T V分压力分压力pi分压力分压力分压力分压力( ( ( (p pi i) ) ) ) : : : : 在与混合物相同的温度的情况下在与混合物相同的温度的情况下在
6、与混合物相同的温度的情况下在与混合物相同的温度的情况下, , , , 每每每每一种组成气体都独自占据混合物相同的体积时一种组成气体都独自占据混合物相同的体积时一种组成气体都独自占据混合物相同的体积时一种组成气体都独自占据混合物相同的体积时, , , ,组成气组成气组成气组成气体的压力体的压力体的压力体的压力9 9分压力分压力pipV=nRTDalton分压力定律分压力定律道尔顿定律道尔顿定律理想气体混合物的压力等于各理想气体混合物的压力等于各组成气体分压力之和组成气体分压力之和1010p分容积定律分容积定律 Amagat s law p T Vp T Vp T Vp T V分分容积容积VipV
7、=nRTpVi i=ni iRT分体积分体积(vi) : 在与混合物相同的温度和压力的情况在与混合物相同的温度和压力的情况下下, 每一种组成气体独自占据的体积每一种组成气体独自占据的体积1111单组分单组分混合物混合物pV=nRT亚美格定律亚美格定律亚美格定律亚美格定律理想气体混合物的容积等于各组成理想气体混合物的容积等于各组成理想气体混合物的容积等于各组成理想气体混合物的容积等于各组成 气体分容积之和气体分容积之和气体分容积之和气体分容积之和1212 对某一组成气体对某一组成气体i：对比二式，有：对比二式，有：组成气体的分压力与混合物压力之比，等于组成气体的分压力与混合物压力之比，等于组成气
8、体的分容积与混合物容积之比。组成气体的分容积与混合物容积之比。1313p重（质）量比重（质）量比 gi=Gi/G=mi/m gi=1 容积比容积比 ri=Vi/V ri=11414pVimiRgiTpVimiRgiTpR Rgigi与与与与R Rg g的关系的关系的关系的关系15152.2.浓度和成分浓度和成分pp浓度定义浓度定义：单位容积中物质的量称为浓度。：单位容积中物质的量称为浓度。pp浓度表示方法浓度表示方法： 质量浓度质量浓度(m/V):单位为单位为kg/m3或或g/cm3 摩尔浓度摩尔浓度(n/V):单位为单位为kmol/m3或或mol/cm31616组组分分A的的质质量量浓浓度度
9、A: :单单位位容容积积混混合合物物中中含含有有组分组分A A的质量的质量若若混混合合物物由由几几种种组组分分构构成成，则则混混合合物物的的质质量量浓度浓度为为: :质量浓度质量浓度1717组分组分A A的质量浓度与总质量浓度之比，称为的质量浓度与总质量浓度之比，称为质量分数质量分数：1818组分组分A A的摩尔浓度的摩尔浓度c c：单位容积混合物中含有：单位容积混合物中含有组分组分A A的摩尔数的摩尔数。piVniRT摩尔浓度摩尔浓度1919n摩尔分数：摩尔分数：固体和液体：xA=cA/c气体： yA=cA/c yA=pA/p2020例题10-1温度为25和压力为10/m的干空气主要由下列两
10、种组分组成：yO2 20.21；yN2 20.79。氧的摩尔质量为0.032kg/mol，氮的摩尔质量为0.028kg/mol 。试确定:(1)氧和氮的质量分数，(2)干空气的平均分子量。2121小 结质量传递的基本形式：分子扩散、对流传质质量传递的基本形式：分子扩散、对流传质质量浓度（密度）质量浓度（密度） 质量分数质量分数摩尔浓度摩尔浓度摩尔分数摩尔分数分压力分压力 pi=ciRT （pV=nRT） pi=iRgiT （pVmRgT）浓浓度度表表示示方方法法222210-2 分子扩散概念分子扩散概念在静止的系统中，在静止的系统中，由于浓度梯度而产由于浓度梯度而产生的质量传递称为生的质量传递
11、称为分子扩散分子扩散。2323一、分子扩散速度和通量一、分子扩散速度和通量1.分子扩散速度 混合气体中混合气体中存在浓度梯度存在浓度梯度分子分子扩散扩散破坏压破坏压力平衡力平衡气体的气体的整体移动整体移动在扩散过程中要产生混合气体的整体流动在扩散过程中要产生混合气体的整体流动2424整体流动的质量平均速度质量平均速度 :整体流动的摩尔平均速度摩尔平均速度:混合气体的混合气体的整体流动速度整体流动速度等于混合气体中等于混合气体中各组成气体速度的平均值各组成气体速度的平均值整体流动速度整体流动速度2525ui 表示表示组分组分i i的速度的速度； ui-u 表示组分表示组分i i相对于整体流动的相
12、对于整体流动的 质量平均速度质量平均速度u u的扩散速度；的扩散速度；ui-uM 表示组分表示组分i i相对于整体流动的相对于整体流动的 摩尔平均速度摩尔平均速度u uM M的扩散速度。的扩散速度。 表102扩散速度扩散速度26262.通量通量通量通量( (即扩散速率即扩散速率) )是指在垂直于浓度梯度是指在垂直于浓度梯度方向的单位面积上，单位时间内所通过的方向的单位面积上，单位时间内所通过的物质量，简称通量。物质量，简称通量。通通量量是是浓浓度度和和速速度度的的乘乘积积，其其单单位位由由相相应应的的浓浓度度和和速速度度的的单单位位决决定定，可可以以是是质质量量通通量量kg/(mkg/(m2
13、2s)s)或或摩尔通量摩尔通量mol/(mmol/(m2 2s)s)等。等。2727净净通通量量: :对对于于i i组组分分，其其相相对对于于固固定定坐坐标标的的通通量量叫该组分的叫该组分的净通量净通量。 ni: :组分的组分的净质量通量净质量通量 Ni: :组分的组分的净摩尔通量净摩尔通量分分子子扩扩散散通通量量: :对对于于i i组组分分，其其相相对对于于相相对对坐坐标标的通量叫该组分的的通量叫该组分的分子扩散通量分子扩散通量。 分子扩散质量通量分子扩散质量通量分子扩散质量通量分子扩散质量通量j ji i: : : :相对于质量平均速度的通量相对于质量平均速度的通量相对于质量平均速度的通量
14、相对于质量平均速度的通量 分子扩散摩尔通量分子扩散摩尔通量分子扩散摩尔通量分子扩散摩尔通量J Ji i: : : :相对于摩尔平均速度的通量相对于摩尔平均速度的通量相对于摩尔平均速度的通量相对于摩尔平均速度的通量2828各种通量的定义式为：各种通量的定义式为： 净质量通量 niiui 净摩尔通量 Niciui 分子扩散质量通量 jii(uiu) 分子扩散摩尔通量 Jici(uiuM） 由上面关系可以得到扩散方程：由上面关系可以得到扩散方程： ni=ji+iu Ni=Ji+ciuM 29293.通量、速度、浓度关系式通量、速度、浓度关系式根据上述通量的概念，可以得到流体混合物平均速度的另一种表示
15、方法:30303131小 结3232二、斐克第一定律二、斐克第一定律1.1.分子扩散通量的分子扩散通量的斐克定律表达式：斐克定律表达式：3333若双组分混合物的浓度不变 与傅立叶定律比较：DAB的物理意义：质量扩散能力（类比）34342.净通量斐克定律表达式：3535净净通通量量有有两两部部分分：一一部部分分是是浓浓度度梯梯度度引引起起的的分分子子扩扩散散通通量量；一一部部分分是是从从整整体体流流动中携带出来的组分动中携带出来的组分A A的通量。的通量。3636u在纳维埃司托克斯方程式中要考虑扩散 时，则选用n和j；u在化学反应中，则应选用J和N；u在传质设备的工程计算中，则用n和N；u在扩散
16、室中测量扩散系数时，则应选用 JA和j。3.3.各方程的使用情况：各方程的使用情况：37373838例题10-2有一管道内充满了氮(N）氦(He)混合气体，其温度为300K，总压力为1105N/m2，一端氮的分压力为pA10.6105N/m2，另一端为pA20.1105m2，两端相距30cm，已知扩散系数DHe0.68710-4ms，试计算稳态下氮的分子扩散摩尔通量。 3939404010-3 对流传质一、定义：一、定义：在运动着的流体和相界面之间，或者在两在运动着的流体和相界面之间，或者在两个不相混合的运动着的流体之间的质量传递称为个不相混合的运动着的流体之间的质量传递称为对对流传质流传质。
17、二、计算：二、计算： N NA A= =k kc cccA A （10-2510-25） k kc c传传质质膜膜系系数数，它它不不仅仅取取决决于于流流态态、流流体体物物性性、系统的几何形状与位置，还与浓度差有密切的关系系统的几何形状与位置，还与浓度差有密切的关系 式（式（10-2510-25）和）和牛顿冷却牛顿冷却公式公式 q=t q=t 比较。比较。 4141三、速度边界层、浓度边界层、热边界层的比较：4242由于动量传递、热量传递和质量传递具有共同由于动量传递、热量传递和质量传递具有共同由于动量传递、热量传递和质量传递具有共同由于动量传递、热量传递和质量传递具有共同特点，所以，它们均可用下式描述：特点，所以，它们均可用下式描述：特点，所以，它们均可用下式描述：特点，所以，它们均可用下式描述： 传递过程速度推动力传递过程速度推动力传递过程速度推动力传递过程速度推动力/ / / /阻力阻力阻力阻力四、三传计算公式的比较：4343作 业209页：10-3（改）10-64444
