化工原理講稿(中國(guó)石油大學(xué))第八章傳質(zhì)過(guò)程概論

1、第八章第八章 傳質(zhì)過(guò)程概論傳質(zhì)過(guò)程概論（Introduction to Mass Transfer Introduction to Mass Transfer ）中國(guó)石油大學(xué)（華東）中國(guó)石油大學(xué)（華東）20072007年年3 3月月第八章第八章 傳質(zhì)過(guò)程概論傳質(zhì)過(guò)程概論主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)擴(kuò)散與單相傳質(zhì)第三節(jié)第三節(jié) 質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞類(lèi)比質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞類(lèi)比第一節(jié) 概 述 (Introduction) )一、傳質(zhì)過(guò)程及其分類(lèi)一、傳質(zhì)過(guò)程及其分類(lèi) 1.1.什么是傳質(zhì)？什么是傳質(zhì)？ 當(dāng)不平衡的兩相進(jìn)行接觸時(shí)，就會(huì)有一個(gè)或多個(gè)組分從當(dāng)不平衡的兩

2、相進(jìn)行接觸時(shí)，就會(huì)有一個(gè)或多個(gè)組分從一個(gè)相傳入另一個(gè)相中，物質(zhì)從一相傳遞到另一相中的過(guò)程一個(gè)相傳入另一個(gè)相中，物質(zhì)從一相傳遞到另一相中的過(guò)程稱為相間質(zhì)量傳遞，簡(jiǎn)稱傳質(zhì)。稱為相間質(zhì)量傳遞，簡(jiǎn)稱傳質(zhì)。2.2.傳質(zhì)過(guò)程的應(yīng)用傳質(zhì)過(guò)程的應(yīng)用主要用于主要用于均相物系的分離均相物系的分離，根據(jù)分離的物系不同，有不，根據(jù)分離的物系不同，有不同的單元操作，如常見(jiàn)的蒸餾，吸收，萃取等等，是石油和同的單元操作，如常見(jiàn)的蒸餾，吸收，萃取等等，是石油和化學(xué)工業(yè)最常用的工業(yè)過(guò)程?；瘜W(xué)工業(yè)最常用的工業(yè)過(guò)程。例如乙烯及汽、煤、柴油的制備；例如乙烯及汽、煤、柴油的制備；、的吸收等。的吸收等。第一節(jié) 概 述 (Introduc

3、tion) )(1)(1)氣氣( (汽汽) )液接觸傳質(zhì)過(guò)程液接觸傳質(zhì)過(guò)程精餾精餾：利用液體混合物中各組分飽和蒸汽壓或沸點(diǎn)或揮發(fā)：利用液體混合物中各組分飽和蒸汽壓或沸點(diǎn)或揮發(fā)性的差異而將各組分分離開(kāi)來(lái)性的差異而將各組分分離開(kāi)來(lái);吸收吸收：利用氣體混合物中的各組分在某種溶劑中的溶解度：利用氣體混合物中的各組分在某種溶劑中的溶解度不同而將各組分分離開(kāi)來(lái)不同而將各組分分離開(kāi)來(lái);增（減）濕增（減）濕：不飽和氣相與溫度比它高的熱水接觸為增濕；：不飽和氣相與溫度比它高的熱水接觸為增濕；含水蒸氣的飽和濕氣體與溫度比它低的冷水接觸為減濕。含水蒸氣的飽和濕氣體與溫度比它低的冷水接觸為減濕。分類(lèi)分類(lèi)(2)(2)氣

4、固接觸傳質(zhì)過(guò)程氣固接觸傳質(zhì)過(guò)程干燥干燥：含水分（或可揮發(fā)性液體）的固體與比：含水分（或可揮發(fā)性液體）的固體與比較干燥的氣體接觸。較干燥的氣體接觸。氣體吸附氣體吸附：物質(zhì)從氣相進(jìn)入固相表面。：物質(zhì)從氣相進(jìn)入固相表面。(3)(3)液液接觸傳質(zhì)過(guò)程液液接觸傳質(zhì)過(guò)程液液萃取液液萃取：利用液體混合物中各組分在某種：利用液體混合物中各組分在某種溶劑中的溶解度差異而將各組分分離開(kāi)來(lái)。溶劑中的溶解度差異而將各組分分離開(kāi)來(lái)。第一節(jié) 概 述 (Introduction) )(4)(4)液固接觸傳質(zhì)過(guò)程液固接觸傳質(zhì)過(guò)程固液萃取固液萃?。航　⒔r。應(yīng)用溶劑將固體原：浸取、浸瀝。應(yīng)用溶劑將固體原料中的可溶組分提取出來(lái)

5、。料中的可溶組分提取出來(lái)。液相吸附液相吸附：如活性炭脫去蔗糖粗溶液中的有色：如活性炭脫去蔗糖粗溶液中的有色物質(zhì)。物質(zhì)。結(jié)晶結(jié)晶：溶質(zhì)的過(guò)飽和溶液與溶質(zhì)固體相接觸。：溶質(zhì)的過(guò)飽和溶液與溶質(zhì)固體相接觸。第一節(jié) 概 述 (Introduction) )傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行：傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行：物質(zhì)由一相內(nèi)部擴(kuò)散至兩相界面；物質(zhì)由一相內(nèi)部擴(kuò)散至兩相界面；物質(zhì)穿過(guò)相界面；物質(zhì)穿過(guò)相界面；物質(zhì)由相界面擴(kuò)散至另一相的內(nèi)部主體物質(zhì)由相界面擴(kuò)散至另一相的內(nèi)部主體或或 傳質(zhì)速率傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)速率傳質(zhì)系數(shù)濃度差濃度差傳傳質(zhì)質(zhì)阻阻力力傳傳質(zhì)質(zhì)推推動(dòng)動(dòng)力力傳傳質(zhì)質(zhì)速速率率和傳熱速率一樣，和傳熱速率一樣，傳質(zhì)速率傳質(zhì)速率也也可表示成

6、可表示成第一節(jié) 概 述 (Introduction) )二、相組成的表示方法二、相組成的表示方法（一）質(zhì)量分率和摩爾分率（一）質(zhì)量分率和摩爾分率,mmammammaCCBBAA1.1.質(zhì)量分率質(zhì)量分率質(zhì)量分率為混合物中某組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的分率或百分率。質(zhì)量分率為混合物中某組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的分率或百分率。1CBAaaa第一節(jié) 概 述 (Introduction) )2.2.摩爾分率摩爾分率指混合物中某組分的摩爾數(shù)占總摩爾數(shù)的分率或百分率。指混合物中某組分的摩爾數(shù)占總摩爾數(shù)的分率或百分率。,nnxnnxnnxCCBBAA1CBAxxx3.3.質(zhì)量分率與摩爾分率的換算質(zhì)量分率與摩爾分率的換算 i

7、iAAiiAAAMaMaMamMmaxiiAAAMxMxa第一節(jié) 概 述 (Introduction) )（二）質(zhì)量比和摩爾比（二）質(zhì)量比和摩爾比BAmma aaa1aaa1若雙組分物系由若雙組分物系由A、B兩組分組成，則兩組分組成，則1.質(zhì)量比質(zhì)量比質(zhì)量比和質(zhì)量分率的換算關(guān)系如下質(zhì)量比和質(zhì)量分率的換算關(guān)系如下第一節(jié) 概 述 (Introduction) )本書(shū)中用本書(shū)中用X表示液相組成，表示液相組成，Y表示氣相組成。表示氣相組成。 BAnnX xxX1XXx1摩爾比和摩爾分率的換算關(guān)系如下摩爾比和摩爾分率的換算關(guān)系如下2.摩爾比摩爾比第一節(jié) 概 述 (Introduction) )y1yYY

8、1Yx（三）摩爾濃度和質(zhì)量濃度（三）摩爾濃度和質(zhì)量濃度1.1.摩爾濃度摩爾濃度指單位體積內(nèi)的物質(zhì)的量，指單位體積內(nèi)的物質(zhì)的量，對(duì)對(duì)A A組分組分VnCAA3/mmolRTpVnCAAA對(duì)于氣體混合物對(duì)于氣體混合物( (在總壓不太高時(shí)在總壓不太高時(shí)) )，若其中組分，若其中組分A A的分的分壓為壓為P PA A，則可由，則可由理想氣體理想氣體定律計(jì)算其定律計(jì)算其摩爾濃度摩爾濃度第一節(jié) 概 述 (Introduction) )2.2.質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度VmAA3/mkgRTMpAAA指單位體積內(nèi)的物質(zhì)的質(zhì)量，對(duì)指單位體積內(nèi)的物質(zhì)的質(zhì)量，對(duì)A A組分組分對(duì)氣體混合物對(duì)氣體混合物( (在總壓不太高時(shí)在總

9、壓不太高時(shí)) )中中A A組分的質(zhì)量濃度為組分的質(zhì)量濃度為. .濃度與其他組成方法的換算濃度與其他組成方法的換算根據(jù)組成方法的定義換算（略）根據(jù)組成方法的定義換算（略）第一節(jié) 概 述 (Introduction) )3/mkg三、傳質(zhì)設(shè)備簡(jiǎn)介三、傳質(zhì)設(shè)備簡(jiǎn)介（一）（一）填料塔填料塔第一節(jié) 概 述 (Introduction) )（二）（二）板式塔板式塔第一節(jié) 概 述 (Introduction) )第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)一、分子擴(kuò)散與費(fèi)克定律一、分子擴(kuò)散與費(fèi)克定律分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)單相內(nèi)傳質(zhì)機(jī)理單相內(nèi)傳質(zhì)機(jī)理 定義：?jiǎn)我幌鄡?nèi)、在有濃度差異存在的條件下，分子的定義：?jiǎn)我幌鄡?nèi)、在有濃

10、度差異存在的條件下，分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。1.分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散(molecular diffusion)3.3.費(fèi)克定律費(fèi)克定律( (FicksFicks law law) )2.2.擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量 擴(kuò)散通量：是指在單位時(shí)間內(nèi)單位面積上擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)擴(kuò)散通量：是指在單位時(shí)間內(nèi)單位面積上擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)的量，其單位為的量，其單位為kmol/(mkmol/(m2 2S),S),以以J J表示。表示。 在恒溫恒壓下，在恒溫恒壓下，A A在混合物中沿在混合物中沿Z Z方向作穩(wěn)定分子擴(kuò)散時(shí)，方向作穩(wěn)定分子擴(kuò)散時(shí)，其擴(kuò)散通量與擴(kuò)散系數(shù)及在擴(kuò)散方向的濃度梯度成正比

11、。其擴(kuò)散通量與擴(kuò)散系數(shù)及在擴(kuò)散方向的濃度梯度成正比。 dZdCDJAABA第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)Z擴(kuò)散面擴(kuò)散面DABA的擴(kuò)散系數(shù)，的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s二、雙組分混合物中的一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散二、雙組分混合物中的一維穩(wěn)定分子擴(kuò)散1.1.等分子反向擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散pA1pA2pB2pB112FFABPP第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)對(duì)任一截面對(duì)任一截面FFFF來(lái)說(shuō)，根據(jù)費(fèi)克定律，來(lái)說(shuō)，根據(jù)費(fèi)克定律，A A的擴(kuò)散通量的擴(kuò)散通量為為: :dZdCDJAABA同理，同理，B B的擴(kuò)散通量為的擴(kuò)散通量為 dZdCDJBBAB 對(duì)于氣體，在總壓不太高的條件下，組分在氣相中的對(duì)于氣體，在總壓不太高的條件下，組分在氣相中

12、的摩爾濃度可用分壓來(lái)表示。即摩爾濃度可用分壓來(lái)表示。即 RTpcRTpcBBAA,第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)dZdpRTDJBBAB 這兩個(gè)通量方向相反，大小相等，若以這兩個(gè)通量方向相反，大小相等，若以A A的傳遞方向的傳遞方向(Z)(Z)為正方向，則可寫(xiě)出下式為正方向，則可寫(xiě)出下式: :BAJJ由于總壓是常數(shù)，所以由于總壓是常數(shù)，所以 BAdpdp因此因此 dZdpRTDJAABA因此因此 DDDBAAB第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì) 傳質(zhì)速率的定義傳質(zhì)速率的定義：在任一固定的空間位置上，：在任一固定的空間位置上，A A在單位時(shí)在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的物質(zhì)的量，稱為間內(nèi)通過(guò)單位面積的物質(zhì)的量，稱為A

13、A的傳質(zhì)速率，用的傳質(zhì)速率，用N NA A表示。表示。dZdpRTDJAA將上式改寫(xiě)為將上式改寫(xiě)為AAdpRTDdZN擴(kuò)散初終截面處的積分限為擴(kuò)散初終截面處的積分限為11,AAppZZ22,AAppZZ第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)dZdpRTDJNAAA在等分子反向擴(kuò)散中：在等分子反向擴(kuò)散中：1212ZZppRTDNAAA12ZZ )(21AAAppRTDN積分后得到積分后得到令令同理，組分同理，組分B B的傳質(zhì)速率為的傳質(zhì)速率為)(21BBBBppRTDJN第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)ABNN0BANNN 等分子反向擴(kuò)散，通過(guò)接管中任一截面的凈物質(zhì)通量等分子反向擴(kuò)散，通過(guò)接管中任一截面的凈物質(zhì)通量N N

14、為零。為零。第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)LAALALALCCDJN)(21LBBLBLBLCCDJN)(21 對(duì)于對(duì)于液相中的等分子反向擴(kuò)散液相中的等分子反向擴(kuò)散，若總濃度為常數(shù)，同，若總濃度為常數(shù)，同理可積分而得到組分理可積分而得到組分A A的傳質(zhì)速率：的傳質(zhì)速率： 摩爾汽化潛熱接近相等的二元混合物摩爾汽化潛熱接近相等的二元混合物進(jìn)行精餾操作時(shí)，進(jìn)行精餾操作時(shí)，在汽、液兩相的接觸過(guò)程中，易揮發(fā)的在汽、液兩相的接觸過(guò)程中，易揮發(fā)的A A組分由液相進(jìn)入組分由液相進(jìn)入汽相的速率與難揮發(fā)的汽相的速率與難揮發(fā)的B B組分從汽相進(jìn)入液相的速率大體組分從汽相進(jìn)入液相的速率大體相同。因此，相同。因此，無(wú)論在汽相中

15、，或者在液相中進(jìn)行的傳質(zhì)過(guò)無(wú)論在汽相中，或者在液相中進(jìn)行的傳質(zhì)過(guò)程都可視為等分子反向擴(kuò)散程都可視為等分子反向擴(kuò)散第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì) 例題例題8-28-2： 如圖所示，氨氣如圖所示，氨氣(A)(A)與氮?dú)馀c氮?dú)?B)(B)在長(zhǎng)在長(zhǎng)0.1m0.1m的直的直徑均勻的聯(lián)接管中相互擴(kuò)散?？倝簭骄鶆虻穆?lián)接管中相互擴(kuò)散?？倝簆=101.3kPa,p=101.3kPa,溫溫度度T=298KT=298K，點(diǎn)，點(diǎn)1 1處處p pA1A1=10.13kPa=10.13kPa、點(diǎn)、點(diǎn)2 2處處P PA2A2=5.07kPa=5.07kPa，擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)D=2.30 x10D=2.30 x10-5-5m m2

16、 2/S/S。試求穩(wěn)。試求穩(wěn)態(tài)下的擴(kuò)散通量態(tài)下的擴(kuò)散通量J JA A、J JB B及傳質(zhì)速率及傳質(zhì)速率N NA A、N NB B。pA1pA2pB2pB112FFABPP第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)2.2.一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散 ( (單向擴(kuò)散單向擴(kuò)散) ) v可溶組分可溶組分( (溶質(zhì)溶質(zhì))A)A；v惰性組分惰性組分B B；v平面平面2222 為氣液界面；為氣液界面；v厚度為厚度為的滯流氣層。的滯流氣層。 三種流動(dòng)三種流動(dòng): :v擴(kuò)散流擴(kuò)散流J JA A；v擴(kuò)散流擴(kuò)散流J JB B；v總體流總體流N NM M；第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)JAJBMAMCCN12 21A

17、+BA+BA AMMCCNBMAMAACCNJN同理同理MBMBBCCNJN? ?BMAABBMBMCCJJJCCJN0BNAMMABABAMABMAAMAMAACCCJCCCJCCCCJJCCNJN第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)dZdCCCDCNAAMMAdZdCDJAA對(duì)于氣體，在總壓不太高的條件下對(duì)于氣體，在總壓不太高的條件下RTpCRTpCAAM,)(dZdpRTDpppNAAA所以所以第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)在穩(wěn)定狀況下，在穩(wěn)定狀況下，N NA A常數(shù)，常數(shù)，D D、P P、T T也均為常數(shù)。對(duì)上也均為常數(shù)。對(duì)上式進(jìn)行積分式進(jìn)行積分: :2121AAppAAZZAppdpRTpDdZN則則)(

18、12ZZ 1212ln)(AAAppppZZRTpDN令令12lnBBAppRTpDN第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)因?yàn)榻孛嬉驗(yàn)榻孛?1 11 ,22,22上的總壓相等，即上的總壓相等，即pppppBABA22111221BBAApppp121221122112ln)()(lnBBBBAABBAABBAppppRTpppDppppppRTpDN故故則則第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì))(21AABmAppppRTDN令令1212lnBBBBBmppppp 擴(kuò)散初、終截面處組分?jǐn)U散初、終截面處組分B B分壓的對(duì)數(shù)平均值，分壓的對(duì)數(shù)平均值，kpakpa； 漂流因子，無(wú)因次。漂流因子，無(wú)因次。BmpBmpp第二節(jié) 擴(kuò)

19、散與單相傳質(zhì)LAASmMALCCCCDN)(21對(duì)液相對(duì)液相，同理可得：，同理可得：1212lnSSSSSmCCCCC 擴(kuò)散初、終截面處溶劑濃度的對(duì)數(shù)平均值，擴(kuò)散初、終截面處溶劑濃度的對(duì)數(shù)平均值，mol/mmol/m3 3； 漂流因子，無(wú)因次。漂流因子，無(wú)因次。SmCSmCC第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)v漂流因子大于漂流因子大于1 1；v單向擴(kuò)散速率大于分子擴(kuò)散速率；單向擴(kuò)散速率大于分子擴(kuò)散速率；vA A的濃度很低時(shí)，單向擴(kuò)散速率近似等于分子擴(kuò)散速率。的濃度很低時(shí)，單向擴(kuò)散速率近似等于分子擴(kuò)散速率。討論：討論：第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)三、擴(kuò)散系數(shù)三、擴(kuò)散系數(shù)v物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的一種傳

20、遞屬性是物質(zhì)的一種傳遞屬性；v同一種物質(zhì)在不同的混合物中其擴(kuò)散系數(shù)不同同一種物質(zhì)在不同的混合物中其擴(kuò)散系數(shù)不同；v擴(kuò)散系數(shù)受溫度、壓力及混合物中組分的濃度的影響擴(kuò)散系數(shù)受溫度、壓力及混合物中組分的濃度的影響。 氣體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略；氣體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略； 液體中的擴(kuò)散，濃度的影響不可忽略，壓力的影響不液體中的擴(kuò)散，濃度的影響不可忽略，壓力的影響不 顯著。顯著。v實(shí)驗(yàn)測(cè)定；實(shí)驗(yàn)測(cè)定；v資料及手冊(cè)中查得；資料及手冊(cè)中查得；v經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的公式進(jìn)行估算。經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的公式進(jìn)行估算。來(lái)源：來(lái)源：第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)1.1.組分在氣體中的擴(kuò)散系數(shù)組分在氣體中的擴(kuò)散系數(shù)第二節(jié) 擴(kuò)

21、散與單相傳質(zhì)福勒（福勒（Fuller)Fuller)半經(jīng)驗(yàn)公式估算半經(jīng)驗(yàn)公式估算23/13/12/175. 17)()()11(1000. 1BABApMMTDv誤差一般不超過(guò)誤差一般不超過(guò)10%10%；v可用于常溫及高溫，但不適用于低溫；可用于常溫及高溫，但不適用于低溫；v組成的變化對(duì)其影響也很小組成的變化對(duì)其影響也很??；v一般為一般為1010-5-5-10-10-4-4m m2 2/s/s；v與壓力成反比，與溫度的與壓力成反比，與溫度的1.751.75次方成正比次方成正比。第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)2.2.組分在液體中的擴(kuò)散系數(shù)組分在液體中的擴(kuò)散系數(shù)第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)Wilke-Chomg

22、Wilke-Chomg公式估算公式估算v組分在液體中的擴(kuò)散系數(shù)比在氣體中的小得多組分在液體中的擴(kuò)散系數(shù)比在氣體中的小得多 ；v與溫度成正比，與粘度成反比；與溫度成正比，與粘度成反比；v一般為一般為1010-9-9m m2 2/s/s。6 . 05 . 08)(104 . 7AsASTaMD適用于低分子量的非電解質(zhì)在很稀溶液中的擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算。適用于低分子量的非電解質(zhì)在很稀溶液中的擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算。第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)dZdcDJAEAEED 1.1.渦流擴(kuò)散渦流擴(kuò)散(Eddy Diffusion)(Eddy Diffusion) 流體質(zhì)點(diǎn)在濃度梯度方向上的脈動(dòng)所造成的物質(zhì)向濃度流體質(zhì)點(diǎn)在濃度梯

23、度方向上的脈動(dòng)所造成的物質(zhì)向濃度降低方向的傳遞稱為渦流擴(kuò)散。降低方向的傳遞稱為渦流擴(kuò)散。渦流擴(kuò)散通量渦流擴(kuò)散通量可借用費(fèi)克定律的形式來(lái)表達(dá)，即可借用費(fèi)克定律的形式來(lái)表達(dá)，即v渦流擴(kuò)散系數(shù)不是物性常數(shù)渦流擴(kuò)散系數(shù)不是物性常數(shù); ;v渦流擴(kuò)散系數(shù)與流體的湍動(dòng)程度有關(guān)渦流擴(kuò)散系數(shù)與流體的湍動(dòng)程度有關(guān); ;v渦流擴(kuò)散系數(shù)隨位置渦流擴(kuò)散系數(shù)隨位置( (離穩(wěn)定界面的距離離穩(wěn)定界面的距離) )等條件而變。等條件而變。渦流擴(kuò)散系數(shù)，渦流擴(kuò)散系數(shù)，m m2 2s s四、渦流擴(kuò)散與對(duì)流傳質(zhì)四、渦流擴(kuò)散與對(duì)流傳質(zhì)第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)dZdcDDJAEAT)( 湍流流體中湍流流體中在進(jìn)行渦流擴(kuò)散的同時(shí)、也存在分子在

24、進(jìn)行渦流擴(kuò)散的同時(shí)、也存在分子擴(kuò)散，擴(kuò)散，總擴(kuò)散通量總擴(kuò)散通量應(yīng)為兩者之和，即應(yīng)為兩者之和，即 流動(dòng)的流體與壁面流動(dòng)的流體與壁面( (或相界面或相界面) )之間的物質(zhì)傳遞稱為對(duì)流之間的物質(zhì)傳遞稱為對(duì)流傳質(zhì)。當(dāng)流體是湍流流動(dòng)時(shí)，對(duì)流傳質(zhì)是渦流擴(kuò)散與分子擴(kuò)傳質(zhì)。當(dāng)流體是湍流流動(dòng)時(shí)，對(duì)流傳質(zhì)是渦流擴(kuò)散與分子擴(kuò)散共同作用的結(jié)果。對(duì)流傳質(zhì)是相間物質(zhì)傳遞的基礎(chǔ)。散共同作用的結(jié)果。對(duì)流傳質(zhì)是相間物質(zhì)傳遞的基礎(chǔ)。2.2.對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)(Convection Mass Transfer)(Convection Mass Transfer)第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程分析：對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程分析：層流底層層流底

25、層 分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū) 分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散湍流主體湍流主體 分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散 將壁面與流體主體間的對(duì)流將壁面與流體主體間的對(duì)流傳質(zhì)作為通過(guò)厚度為傳質(zhì)作為通過(guò)厚度為L(zhǎng) L的層流膜的層流膜層內(nèi)的分子擴(kuò)散來(lái)計(jì)算。這種處層內(nèi)的分子擴(kuò)散來(lái)計(jì)算。這種處理對(duì)流傳質(zhì)的簡(jiǎn)化物理圖像，稱理對(duì)流傳質(zhì)的簡(jiǎn)化物理圖像，稱為膜模型。為膜模型。膜模型：膜模型：第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)若進(jìn)行的是單向擴(kuò)散：若進(jìn)行的是單向擴(kuò)散：)()(21AASmMLLAccccDN液相液相)(21AABmGGAppppRTDN氣相氣相)(21AALAcckN)(21AAGAppkN 實(shí)際上對(duì)流傳質(zhì)

26、速率依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定，并仿照對(duì)流傳熱，實(shí)際上對(duì)流傳質(zhì)速率依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定，并仿照對(duì)流傳熱，將對(duì)流傳質(zhì)速率寫(xiě)成傳質(zhì)系數(shù)與推動(dòng)力的乘積形式將對(duì)流傳質(zhì)速率寫(xiě)成傳質(zhì)系數(shù)與推動(dòng)力的乘積形式，即，即界面與液相間的傳質(zhì)界面與液相間的傳質(zhì)界面與氣相間的傳質(zhì)界面與氣相間的傳質(zhì)第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì))(SmMLLLccDk)(BmGGGppRTDkLLLDkGGGRTDk傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)系數(shù)對(duì)于等分子反向擴(kuò)散，則有對(duì)于等分子反向擴(kuò)散，則有說(shuō)明：說(shuō)明： 對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)和對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)和對(duì)流傳熱系數(shù)類(lèi)似，對(duì)流傳熱系數(shù)類(lèi)似，取決于物系的性質(zhì)、取決于物系的性質(zhì)、流動(dòng)狀況等因素，一流動(dòng)狀況等因素，一般不能通過(guò)左側(cè)公式般不能通過(guò)左側(cè)公式

27、計(jì)算，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)計(jì)算，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，或通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式定，或通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。計(jì)算。第二節(jié) 擴(kuò)散與單相傳質(zhì)第三節(jié) 質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞的類(lèi)比 當(dāng)湍流流體沿壁面流動(dòng)時(shí)，流體與壁面間存當(dāng)湍流流體沿壁面流動(dòng)時(shí)，流體與壁面間存在動(dòng)量、熱量及質(zhì)量傳遞，相互間存在著一定的在動(dòng)量、熱量及質(zhì)量傳遞，相互間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系，常用傳質(zhì)系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)和摩擦內(nèi)在聯(lián)系，常用傳質(zhì)系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系表示，稱為三傳類(lèi)比。系數(shù)之間的關(guān)系表示，稱為三傳類(lèi)比。 三傳類(lèi)比三傳類(lèi)比湍流流體沿壁面流動(dòng)時(shí)：湍流流體沿壁面流動(dòng)時(shí)：)(,wmWAcckN)(wmWTTq而動(dòng)量傳遞的結(jié)果為壁面受到剪應(yīng)力而動(dòng)量傳遞的結(jié)

28、果為壁面受到剪應(yīng)力 ，即，即w2)8/(mWu傳質(zhì)速率傳質(zhì)速率傳熱速率傳熱速率(8-44)(8-44)(8-45)(8-45)(8-46)(8-46)第三節(jié) 質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞的類(lèi)比tdFdVccNwmWA)(,tdFdVCTTqpwmW)(tdFdVumW (1) (1)流體與壁面間的物質(zhì)傳遞只考慮渦流的質(zhì)點(diǎn)傳遞，忽略分子傳遞；流體與壁面間的物質(zhì)傳遞只考慮渦流的質(zhì)點(diǎn)傳遞，忽略分子傳遞； (2)(2)代表平均濃度的流層代表平均濃度的流層( (離壁面距離為離壁面距離為ZmZm) )，與代表平均溫度，與代表平均溫度Tm,Tm,平均速平均速度度UmUm的流層相重合。的流層相重合。 若該流層至面積為

29、若該流層至面積為dFdF的壁面間，在時(shí)間的壁面間，在時(shí)間t t內(nèi)交換的流體體積為內(nèi)交換的流體體積為dVdV，則由，則由此而導(dǎo)致三種傳遞的速率可分別表達(dá)如下：此而導(dǎo)致三種傳遞的速率可分別表達(dá)如下：簡(jiǎn)化假設(shè)：簡(jiǎn)化假設(shè)：(8-47)(8-47)(8-48)(8-48)(8-49)(8-49)第三節(jié) 質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞的類(lèi)比WmwmpWAWccTTCNq)(,將式將式(8-48)(8-48)、(8-47)(8-47)兩式相除，得兩式相除，得pCk再將式再將式(8-44)(8-44)、(8-45)(8-45)代入，經(jīng)整理得代入，經(jīng)整理得 上式聯(lián)系了對(duì)流傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系。這上式聯(lián)系了對(duì)流傳熱

30、系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系。這一一熱量、質(zhì)量傳遞間的類(lèi)比式熱量、質(zhì)量傳遞間的類(lèi)比式稱為劉易斯稱為劉易斯(Lewis)(Lewis)關(guān)系關(guān)系, ,對(duì)對(duì)于空氣于空氣- -水系統(tǒng)中，空氣和水面水系統(tǒng)中，空氣和水面( (或濕物料表面或濕物料表面) )間的對(duì)流間的對(duì)流傳熱和傳質(zhì)基本符合此關(guān)系。傳熱和傳質(zhì)基本符合此關(guān)系。(8-50)(8-50)第三節(jié) 質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞的類(lèi)比 將式將式(8-48)(8-48)、(8-49)(8-49)兩式相除，得兩式相除，得mwmpWWuTTCq)(mpuC8 再將式再將式(8-45)(8-45)、(8-46)(8-46)代入，經(jīng)整理可得摩擦系數(shù)與代入，經(jīng)整理可得摩擦系數(shù)

31、與對(duì)流傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，即對(duì)流傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，即 式式(8-51)(8-51)為為動(dòng)量、熱量傳遞間的類(lèi)比式動(dòng)量、熱量傳遞間的類(lèi)比式，通稱為雷諾類(lèi)比，通稱為雷諾類(lèi)比，是雷諾是雷諾(Reynold(Reynold) )在在18741874年提出的。年提出的。(8-51)(8-51)第三節(jié) 質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞的類(lèi)比mmpukuC8muk8把式把式(8-50)(8-50)代入式代入式(8-51)(8-51)可得動(dòng)量、質(zhì)量傳遞間的類(lèi)比式，即可得動(dòng)量、質(zhì)量傳遞間的類(lèi)比式，即結(jié)合式結(jié)合式(8-51)(8-51)可得動(dòng)量、熱量、質(zhì)量三種傳遞間的雷諾類(lèi)比式：可得動(dòng)量、熱量、質(zhì)量三種傳遞間的雷諾類(lèi)比式：(

32、8-52)(8-52)(8-53)(8-53)第三節(jié) 質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞的類(lèi)比pmCuPrReNuuCStmpmukDkdSh/DSc/ScShukStmRemmpukuC8斯坦頓斯坦頓(Stanton)(Stanton)數(shù)，用符號(hào)數(shù)，用符號(hào)StSt表示，表示，斯坦頓斯坦頓(Stanton)(Stanton)數(shù)，用符號(hào)數(shù)，用符號(hào)StSt 表示，表示，施伍德施伍德(Sherwood)(Sherwood)數(shù)數(shù)( (相當(dāng)于傳熱中的努塞特?cái)?shù)，式中相當(dāng)于傳熱中的努塞特?cái)?shù)，式中d d為管徑，為管徑，D D為擴(kuò)散系數(shù)為擴(kuò)散系數(shù)) )施密特施密特(Schmit(Schmit) )數(shù)數(shù)( (相當(dāng)于傳熱中的普朗

33、特?cái)?shù)相當(dāng)于傳熱中的普朗特?cái)?shù)) )第三節(jié) 質(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞的類(lèi)比因此三傳的雷諾類(lèi)比式也可寫(xiě)成：因此三傳的雷諾類(lèi)比式也可寫(xiě)成：8StSt 試驗(yàn)證明，當(dāng)試驗(yàn)證明，當(dāng)Pr1Pr1，動(dòng)量、熱量傳遞類(lèi)比式基本上與實(shí)際相符。對(duì)，動(dòng)量、熱量傳遞類(lèi)比式基本上與實(shí)際相符。對(duì)于氣體于氣體PrPr數(shù)接近數(shù)接近1 1，而液體的，而液體的PrPr數(shù)一般與數(shù)一般與1 1相差較大，故動(dòng)量、熱量傳遞相差較大，故動(dòng)量、熱量傳遞類(lèi)比式能近似適用于氣體及無(wú)形體阻力時(shí)的情況，一般不適用于液體。類(lèi)比式能近似適用于氣體及無(wú)形體阻力時(shí)的情況，一般不適用于液體。 對(duì)于動(dòng)量、質(zhì)量傳遞間的類(lèi)比式，則只有當(dāng)對(duì)于動(dòng)量、質(zhì)量傳遞間的類(lèi)比式，則只有當(dāng)Sc1Sc1及只考慮摩擦阻力及只考慮摩擦阻力時(shí)才基本適用。無(wú)論氣體或液體均很難滿足時(shí)才基本適用。無(wú)論氣體或液體均很難滿足Sc1Sc1這個(gè)條件，故動(dòng)量、質(zhì)