冶金传输原理-质量传输

冶金传输原理质量传输研究对象：物质传递的规律及特点。第3篇质量传输借用研究传热的方法来研究传质。物性传质由分子运动即扩散性引起，亦称扩散传质。对流传质由流体流动引起。浓度差或浓度梯度。质量传输：物质从物体或空间的某一部分转移到另一部分的现象，简称传质。传质有两种基本方式：传质推动力：研究方法：第12章质量传输的基本概念及基本定律12.1质量传输的基本概念12.2质量传输的基本定律12.3微元体质量平衡方程（带扩散的连续性方程）12.1质量传输的基本概念1.浓度及其表示方法参与传质过程的混合物中的某一组分的浓度是指单位体积混合物中该组分物质量的多少。质量浓度摩尔浓度气体的浓度dVdmiikg/m3iiiMCmol/m3iiipMRT相对质量浓度相对摩尔浓度iiiiCC组分浓度在空间和时间上的变化关系。数学表达式：浓度场按时间稳态浓度场：非稳态浓度场：，，无质量蓄积稳定传质定态传质不定态传质有质量蓄积非稳态传质浓度场：,,,zyxfCi)z,y,x(fCi0Ci),z,y,x(fCi0Ci12.1质量传输的基本概念2.浓度场及浓度梯度浓度场物理量性质空间三维浓度场二维浓度场一维浓度场数量场一维稳态浓度场：一维非稳态浓度场：)x(fCi),x(fCi12.1质量传输的基本概念浓度梯度：传质方向上单位距离上的浓度变化量（最大浓度变率）。表达式：nCgradCii方向：低浓度高浓度为正12.1质量传输的基本概念浓度边界层：12.1质量传输的基本概念CA∞CA∞CACA∞CAxyδC0)(yyCDCCkAABAAwC0)(yyCCCDkAAAwABC1.菲克第一定律14.2质量传输的基本定律稳定浓度场1iiCniiiiiCDCDn1mol/m2.s固体薄层yCDniiimol/m2.s任意方向nCDniiimol/m2.sni—单位时间通过单位面积的扩散传质量，即扩散传质通量；nCi—浓度梯度，mmmol/3负号—质量传递方向与浓度梯度方向相反。某组分的扩散传质通量与浓度梯度成正比菲克第一定律：nDniiikg/m2.sni—质量浓度梯度，mmkg/312.2质量传输的基本定律3.扩散系数Di单位:m2/s物理意义:影响因素:表征某一组分扩散能力的物性参数，即浓度梯度为1时，单位时间通过单位面积的扩散传质量。A．物质的种类、组成；自身扩散系数：液体1×10-10～1×10-9；固体1×10-14～1×10-10气体5×10-6～1×10-5；B．温度、压力等。互扩散系数：液体经验数据固体经验数据气体计算式（12-25）12.2质量传输的基本定律12.3元体质量平衡方程（带扩散的连续性方程）元体分析法建立方法：建立依据：质量守恒定律[元体质量收入]-[元体质量支出]=[元体质量蓄积][元体质量收支差]=[元体质量蓄积]222222zCyCxCDzCvyCvxCvCiiiiiziyixi固体一维不稳定扩散传质22xCDCiii菲克第二定律固体一维稳定扩散传质022dxCdi0drdCrdrdi第13章扩散传质与对流传质13.1稳态扩散传质稳定扩散传质的特点：无质量蓄积，通过物体的扩散传质量为常数。研究目的：结合一定的实验方法确定物质的互扩散系数。研究方法：借用稳定导热类似的求解方法。第13章扩散传质与对流传质1．气体通过平壁的扩散022dxCdixCCCi21积分10CCxi2CCxi壁内浓度场表达式为xCCCCx211当扩散系数Di为常数时，平壁内浓度场是线性的13.1稳态扩散传质第13章扩散传质与对流传质菲克第一定律dxdCDniii扩散传质通量21CCDniimol/m2.siDk21CCknimol/m2.s令k—传质系数，m/sAdxdCDAnNiiiidxdCANDiiim2/s13.1稳态扩散传质第13章扩散传质与对流传质2．气体通过圆筒壁的扩散0drdCrdrdi21lnCrCCi积分11CCrri22CCrri壁内浓度场表达式为211211lnlnrrrrCCCCi当扩散系数Di为常数时，圆筒壁内浓度场呈对数曲线分布13.1稳态扩散传质第13章扩散传质与对流传质菲克第一定律rLdrdCDAdrdCDNiiiii21221ln21rrLDCCNiimol/srLdrdCDAdrdCDNiiiii2LrddCDNiii2lnrddCLNDiiiln213.1稳态扩散传质第13章扩散传质与对流传质1．传质基本方程菲克第二定律22xCDCiii2．边界条件表面浓度Cw为常数和介质浓度Cf为常数3．相似特征数2laFolBi传质傅里叶数2*lDFo传质毕渥数DklBi*13.2非稳态扩散传质第13章扩散传质与对流传质（1）表面浓度为常数，“有限厚”物体的不稳定扩散xFofCCCCwiw,*0平均浓度*0FofCCCCww（2）介质浓度为常数，“有限厚”物体的不稳定扩散xBiFofCCCCfif,,**0（3）表面浓度为常数，“无限厚”物体的不稳定扩散*021FoerfCCCCwiw13.2非稳态扩散传质第13章扩散传质与对流传质1．浓度边界层（质量边界层）流体流过表面并与之发生对流传质时，靠近表面形成的具有浓度梯度的流体薄层。定义浓度边界层的基本特征：与热边界层类似；浓度边界层有层流和紊流之分；浓度边界层外的浓度梯度为零，可视为等浓度区。cxcx13.3对流传质的基本概念第13章扩散传质与对流传质cwfyiCCyCyC0有效浓度边界层：流体与表面进行对流传质时，只存在浓度均一、浓度梯度为零的紊流核心区和集中全部传质阻力、浓度线性分布的层流底层区。紊流核心区与层流底层区假想浓度分布线的交点A至表面的停滞流体层，称为“有效浓度边界层”，其厚度以表示。c此时，表面上的浓度梯度可表示为13.3对流传质的基本概念第13章扩散传质与对流传质2．对流传质系数ACCkNwfiimol/swfiiCCknmol/m2.swfCC—流体及表面浓度，mol/m3；A—传质面积，m2；ki—对流传质系数根据“有效浓度边界层”的概念，按菲克第一定律：wfciiCCDnACCDNwfciiciiDk可得：与对流换热系数h类似。13.3对流传质的基本概念第13章扩散传质与对流传质单位：对流传质系数m/s物理意义：单位时间、通过单位面积、在单位浓度差下的对流传质量，表征流体对流传质作用。影响因素：影响对流传质作用的因素如流体流动的起因、流动的性质、流体的物性、表面几何特性等。13.3对流传质的基本概念第13章扩散传质与对流传质对流传质系数确定方法精确解法近似积分法相似理论-模型实验法类比法13.3对流传质的基本概念第13章扩散传质与对流传质3．对流传质系数计算式0yiiiyCDnwfiiCCkn表面上的扩散传质量对流传质量CyCDCCyCDkyiiwfyiii0013.3对流传质的基本概念第13章扩散传质与对流传质当流体靠近物体表面流过时，存在着一层附壁的薄膜，假定膜内流体与主流不相混合，整个传质过程就是此薄膜上的扩散作用，而且认为在薄膜上呈线性的浓度分布。表现为稳定特征-有效浓度边界层。4．对流传质系数的模型理论薄膜理论ciiDk13.3对流传质的基本概念第13章扩散传质与对流传质渗透理论当流体流过表面时，有流体质点不断穿过流体的附壁薄层向表面迁移并与之接触，流体质点在与表面接触之际则进行质量的转移过程，此后流体又回到主流核心中。一维不稳定扩散过程iiDk213.3对流传质的基本概念第13章扩散传质与对流传质表面更新理论在流体质点不断投向表面并在表面接触后又不断离开的过程中，随时有新的质点补充离去的位置，这就形成了表面上质点不断更新的现象。SDkii大多数的对流传质过程niiDkn=0.5～1.013.3对流传质的基本概念第13章扩散传质与对流传质5．相关特征数普朗特数aPr努塞尔数lNu施密特数iDSc舍伍德数iiDlkSh13.3对流传质的基本概念第13章扩散传质与对流传质层流2131RePr664.0LLNu2131Re664.0LLScSh2132Re664.0PrLLSt2132*Re664.0LLScStScShStLLLRe*传质斯坦顿数紊流5132Re037.02PrLLkSt5431RePr037.0LLNu5132*Re037.02LLkScSt5431Re037.0LLScSh13.4流体流过平板时的对流传质第13章扩散传质与对流传质柯尔伯恩类比平板传热平板传质2Pr32kSt232*kScSt管内传热管内传质8Pr32fSt832*ScStf16.2流体流过平板时的对流传质例16-1P277一、本课的基本要求1．掌握对流传质系数的单位、物理意义、影响因素。2．掌握对流传质简化模型及对流传质系数的模型理论。3．掌握舍伍德数和施密特数的表达式及物理意义。4．能够借用对流传热方法解决对流传质问题。二、本课的重点、难点重点：对流传质系数的单位、物理意义、影响因素及求法。难点：对流传质系数的模型理论。三、作业习题12-4,13-6小结本章小结主要内容：对流传质的基本概念，流体流过平板时的对流传质，动量、热量、质量传输的类比。重点：对流传质的基本概念，动量、热量、质量传输的类比。基本要求：掌握对流传质的定义，施密特数及舍伍德数的物理意义；会用柯尔伯恩类比求对流传质系数。