质交换2-4－附件.ppt

第十一章 质交换 物质的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，如果存在浓度差，由于分子的随机性，物质的分子会从浓度高处向浓度低处迁移，这种迁移称为浓度扩散。浓度差是产生质交换的推动力。 质交换有两种基本方式：分子扩散和对流扩散。在静止的流体以及固体中的扩散，是由分子微观运动所引起，称为分子扩散。在流体中由于对流运动引起的物质传递，称为对流扩散，它比分子扩散强烈很多。分子扩散与对流扩散两者的共同作用称为对流质交换。 对流质交换是在流体与固体的两相交接面上完成的，例如，空气掠过固态或液态萘的升华或蒸发等等。 第一节 质扩散及基本定律 1.浓度与扩散通量 一、浓度 在二元或多元混合物重，各组分在混合物中所占份额，通称浓度。 质量浓度： 摩尔浓度： 对于混合气体，应用理想气体状态方程 Rm为摩尔气体常数，为8.314J/（mol·K） 二、扩散通量 扩散通量：单位时间垂直通过单位面积的某一组分的物质数量。可表示为质扩散通量M和摩尔扩散通量N。 斐克定律：在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中组分A的扩散通量与它的浓度梯度成正比。 传递通量的计算式可统一表示为 传递通量＝－扩散率×传递的推动力 式中负号表示传递率的方向与传递特征量增加的方向相反。 对于混合气体，已知其组分的分压力时，则斐克定律还可表达为 当混合物整体以摩尔平均速度V移动时，对于静坐标，组分A的绝对摩尔扩散通量NA′应为因浓度差而扩散的摩尔通量与因移动而传递的摩尔通量之和,为 扩散率 根据斐克定律，扩散率是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或物质的量，即 不同物质之间的分子扩散系数是通过实验来测定的。下表列举了在压强P0＝1.013×105 Pa、温度T0＝273K 时各种气体在空气中的扩散系数D0，在其他状态下的扩散率可用下式换算 气体在空气中的分子扩散系数D0（m2/s） 两种气体A与B之间的分子扩散率可用吉利兰提出的半经验公式估算式中 T－热力学温度，K； P－总压力，Pa； μA、 μB － 气体A、B的相对分子量； VA、 VB － 气体A、B在正常沸点时液态克摩尔容积，cm3/gmol。 上式中的D的单位是“cm2/s”,它和动量扩散系数ν＝μ/ρ以及热扩散系数a＝λ/cp ρ的单位相同，在计算质扩散通量或摩尔扩散通量时，D的单位要换算为“m2/s”。 在正常沸点下液态克摩尔容积 cm3/gmol 第二节 动量、热量和质量传递的类比 1.对流质交换 对流传质是在流体流动条件下的质量传输过程，是分子扩散和对流扩散的总作用。例如空气流过水面，水气两相之间的传质这一经常发生的物理现象。 　　 对流传质过程与流体的运动特性密切相关，如流体流动的起因、流体的流动性质以及流动的空间条件等等。 在对流质交换中，在界面上会形成浓度边界层，浓度边界层的厚度为δc，其定义通常规定为(CA-CAS)/(CA∞-CAS)=0.99时与壁面的垂直距离,它是存在较大浓度梯度的流体区域。如图 NA=hD(cA,w-cA,∞) kmol/(m2·s) 同理可得 MA=hD(ρA,w- ρA,∞) kg/(m2·s) 用类似于对流换热微分方程的分析方法，得 hD表示当扩散物质A在表面和远离表面处的浓度差为单位浓度差时，在单位时间内通过单位表面积的质扩散通量，单位是m/s. 2.对流质交换的相似准则 现将对流质交换问题与对流换热问题的对比示于下表 对流传质过程中的相关准则数 Pr：Pr准则数为联系动量传输与热量传输的一种相似准则，Pr＝ν/a。 Sc：Sc准则数为联系动量传输与质量传输的相似准则,Sc＝ ν/D. Nu：以边界导热热阻与对流换热热阻之比来标志过程的相似特征， Nu＝hl/λ Sh: 以流体的边界扩散阻力与对流传质阻力之比 标志过程的相似特征，其大小反映了其值由对流传质系数（hD），物体的互扩散系数（D）和定型尺寸（l）组成， Sh＝ hD l/ D Le：表示温度分布和浓度