冶金传输原理（第2版）质量传输第19章.ppt

第19章对流流动传质19.1对流传质基本概念19.2对流传质中的重要参数19.3层流浓度边界层的精确解19.4浓度边界层的近似解19.5小结19.1对流传质基本概念在实际生产过程中，流体多处于运动状态，当运动着的流体与壁面之间或两个有限互溶的运动流体之间发生传质时，习惯统称为对流传质。溶于流动液体的溶质中发生质量传递时，对流传质方程为：式中，NA为溶质在单位时间内离开单位界面的物质的量；cAs为溶质在界面流体中的浓度，它可认为是流体与固体处于平衡态时的浓度；cA为流场中某一点的浓度。[例题19-1]空气流从固体CO2(干冰)平板表面流过，平板表面积为1×10-3m2，空气流速为2m/s，温度为293K，压力为1.013×105Pa，CO2的升华速率为2.29×10-4mol/s。在该温度下，CO2向空气的扩散速率为1.5×10-5m2/s，空气的运动黏度为1.55×10-5m2/s。计算在上述条件下CO2升华进入空气的传质系数。解：题中给出的是摩尔浓度，书中式(19-2)可以写成：19.1对流传质基本概念因此在293K、1.013×105Pa时假定cA∞=019.2对流传质中的重要参数对于三种传输现象，分子扩散率的定义分别为：动量扩散率：；热扩散率：；质量扩散率:DAB。三种扩散率的量纲均为L2/t。因此，上述三个参数中任意两个的比值也一定是无量纲的。分子动量扩散率和分子质量扩散率的比值称作施密特(Schmidt)数。Sc在对流传质中所起的作用，与Pr在对流传热中类似。另外，将分子热扩散率和分子质量扩散率的比值称作路易斯(Lewis)数，即Le用于既有对流传质又有对流换热的过程。由于Sc和Le都是流体物性参数的组合，所以可以把它们视为扩散体系的特性。分析溶质A从固体向流过固体表面的流体的传质过程其浓度分布如下图所示。19.2对流传质中的重要参数19.2对流传质中的重要参数由于在表面上的物质是以分子扩散的方式进行的，因此在图中的传质还可以表达为：因为上面两式所确定的是离开表面(进入流体)的溶质A的质量流密度，所以这两个方程是相等的。于是可得当边界上的浓度CAs等于常数时，上式可以简化为该表面与流体间的质量(摩尔浓度)传递可以写为19.2对流传质中的重要参数上式的右侧是表面浓度梯度与总浓度或参考浓度梯度的比值。因此，可把它看作是分子传质动力与流体对流传质动力的比值。该比值定义为舍伍德(Sherwood)数Sh。由于该式的推导与对流传热中的类似，所以也常把kcL/DAB看作传质的努塞尔数NuAB。上式两边各乘以有效长度L，可以得到下述无量纲表达式：移项简化后，可将上式写为：[例题19-2]分别计算甲醇在298K、1.013×105Pa的空气中和在298K的水中的Sc。19.2对流传质中的重要参数由附录可查，空气的运动黏度为，ν=1.553×10-5m2/s因此，甲醇在空气中的Sc为：解：298K时，甲醇在空气中的扩散速率可由附录中得到由附录可查，288K时甲醇在液态水中的扩散速率1.28×10-9m2/s，由此可算出298K时的数值，水在298K时的运动黏度也可从附录中查出，为0.805×10-6m2/s。因此，甲醇在水中的Sc为19.3层流浓度边界层的精确解在稳态动量传递中，介绍过的边界层方程包括二维不可压缩连续方程当ν和P为常数时，x方向上的运动方程为：对于热边界层，在稳态、不可压缩、二维和热扩散率为常数的绝热流动中，能量方程式为：对于稳态、不可压缩、无化学反应，质量扩散率为常数的二维流动，浓度边界层内的传质方程式为：19.3层流浓度边界层的精确解速度边界层温度边界层浓度边界层可以写为下述关于速度、温度和浓度比的关系式19.3层流浓度边界层的精确解其中边界条件为：y=0时，；y=∞时，。经过变量替换后，得到三个相似的公式，且其边界条件相似。三种传输现象所得到的解，也应该相似的。当动量扩散率与热扩散率的比值ν/α=Pr=1时，可解决对流换热问题。当动量扩散率与热扩散率的比值ν/DAB=Sc=1时，也有同样解来描述对流传质问题。令：可以得到：令：可以得到：其中边界条件为：y=0时，θ=0；y=∞时，θ=1。令：可以得到：其中边界条件为：y=0时，；y=∞时，。1