第三章燃燒傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)

第三章

燃燒傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)

3-1傳質(zhì)學(xué)基本概述一、傳質(zhì)的定義在房間中打開(kāi)一瓶香水，香水瓶附近很快就會(huì)聞到香味，隨后就會(huì)在整個(gè)房間中聞到香水的芬芳。實(shí)際上，香水分子從高濃度區(qū)域遷徙到遠(yuǎn)離瓶蓋的低濃度區(qū)域，呈現(xiàn)出質(zhì)量遷徙的現(xiàn)象，這一過(guò)程就是傳質(zhì)學(xué)問(wèn)題。強(qiáng)調(diào)：香水分子的遷徙是在空氣的氧氣分子和氮?dú)夥肿拥谋尘跋逻M(jìn)行的，如在房間空間遷徙過(guò)程，則不屬于傳質(zhì)學(xué)研究范圍，而是一個(gè)流體力學(xué)問(wèn)題。傳質(zhì)學(xué)研究對(duì)象：混合氣體或混合液體中某個(gè)組分分子或微團(tuán)的遷徙質(zhì)量傳遞：在兩種或兩種以上分子（或微團(tuán)）組成的混合系統(tǒng)中，某些形式的勢(shì)（或“推動(dòng)力”）所引起的分子（或微團(tuán)）的運(yùn)動(dòng)。推動(dòng)力：濃度勢(shì)、溫度勢(shì)、壓力勢(shì)、化學(xué)勢(shì)等在化工生產(chǎn)中，物質(zhì)在濃度差的推動(dòng)下在足夠大的空間中進(jìn)行的擴(kuò)散最為常見(jiàn)，一般分子擴(kuò)散就指這種擴(kuò)散，它是傳質(zhì)分離過(guò)程的物理基礎(chǔ)，在化學(xué)反應(yīng)工程中也占有重要地位。此外，還經(jīng)常遇到流體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散現(xiàn)象，它的擴(kuò)散速率有時(shí)控制了整個(gè)過(guò)程的速率，如有些氣固相反應(yīng)過(guò)程的速率。至于熱擴(kuò)散只在穩(wěn)定同位素和特殊物料的分離中有所應(yīng)用，強(qiáng)制擴(kuò)散則應(yīng)用甚少。二、傳質(zhì)的形式（氣體傳質(zhì)）1、分子擴(kuò)散①定義：在濃度差或其他推動(dòng)力的作用下，由于分子、原子等的熱運(yùn)動(dòng)所引起的物質(zhì)在空間的遷移現(xiàn)象，是質(zhì)量傳遞的一種基本方式。②分類(lèi)推動(dòng)力：濃度梯度最一般的普通分子擴(kuò)散傳質(zhì)

溫度梯度熱擴(kuò)散

壓力梯度壓力擴(kuò)散

除重力以外其他力（電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力…）強(qiáng)制擴(kuò)散2、對(duì)流傳質(zhì)（convectivemasstransport）①定義：對(duì)流傳質(zhì)通常指運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面（或兩股直接接觸的流體之間）間的質(zhì)量傳遞，是相際傳質(zhì)的基礎(chǔ)。這種過(guò)程既包括由流體位移所產(chǎn)生的對(duì)流作用，同時(shí)也包括流體分子間的擴(kuò)散作用。這種分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散的總作用稱(chēng)為對(duì)流傳質(zhì)。

對(duì)流傳質(zhì)

分子擴(kuò)散

對(duì)流擴(kuò)散②對(duì)應(yīng)于傳熱學(xué)對(duì)流傳熱③分類(lèi)：強(qiáng)迫對(duì)流傳質(zhì)；自然對(duì)流傳質(zhì)；紊流傳質(zhì)；相際傳質(zhì)3、湍流擴(kuò)散①定義：湍流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致混合氣體的某組分與其他組分的混合。②屬于宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)③忽略分子擴(kuò)散作用4、混合擴(kuò)散①氣體中的分子團(tuán)簇?cái)U(kuò)散呈氣溶膠運(yùn)動(dòng)特性，用氣溶膠動(dòng)力學(xué)能較好描述；②燃燒微粒形成和傳質(zhì)機(jī)理尚不明確。大氣湍流三、燃燒相關(guān)傳質(zhì)問(wèn)題層流火焰：由于燃燒化學(xué)反應(yīng)的出現(xiàn)，火焰內(nèi)部的不同氣體的濃度分布將有所不同，燃燒反應(yīng)強(qiáng)烈的地方，燃?xì)夂脱鯕鉂舛鹊鸵恍?，燃燒產(chǎn)生煙氣濃度高一些，燃?xì)?、氧氣和煙氣必然交叉滲透，這種由于不同氣體濃度差異，造成的不同氣體相互質(zhì)量傳遞，從傳質(zhì)學(xué)角度，這種各氣體間的相互運(yùn)動(dòng)，這就是分子擴(kuò)散傳質(zhì)的過(guò)程。湍流火焰：湍流火焰的不同氣體物質(zhì)的相互質(zhì)量傳遞明顯較層流火焰復(fù)雜，除了各氣體濃度差造成不同氣體的分子擴(kuò)散型傳質(zhì)，顯然，流體湍流的強(qiáng)烈渦流結(jié)構(gòu)也將有效的混合燃?xì)狻⒀鯕?、煙氣，這種氣體間的質(zhì)量傳遞稱(chēng)為渦流擴(kuò)散。在高度湍動(dòng)的湍流火焰里，渦流擴(kuò)散的效應(yīng)是非常大的，所以，在湍流火焰中存在所謂的自由湍流的渦流擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程。補(bǔ)充說(shuō)明：幾乎所有的工業(yè)火焰都是湍流火焰。當(dāng)液滴和顆粒足夠小，液滴、顆粒、湍流氣體形成湍流多項(xiàng)流，這里發(fā)生的質(zhì)量傳遞問(wèn)題極為復(fù)雜，這就是燃燒中存在的多項(xiàng)流傳質(zhì)問(wèn)題3-2分子擴(kuò)散一、基本概念1、濃度分?jǐn)?shù)（以A、B二組分混合物為例）質(zhì)量分?jǐn)?shù)YA：

摩爾分?jǐn)?shù)xA:

2、分子擴(kuò)散速度（V氣體混合物整體速度、流體力學(xué)速度；Vi:i種氣體組分速度；）

3、質(zhì)量通量與分子擴(kuò)散通量①質(zhì)量通量(即擴(kuò)散速率)：是指在垂直于濃度梯度方向的單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的物質(zhì)量，簡(jiǎn)稱(chēng)通量。公式：通量是濃度和擴(kuò)散速度的乘積，其單位由相應(yīng)的濃度和速度的單位決定，質(zhì)量通量：kg/(m2?S)；摩爾通量：mol/(m2?S);組分i的分子擴(kuò)散速度=Vi-V，是指表示相對(duì)于整體平均流動(dòng)速度的運(yùn)動(dòng)速度，分子擴(kuò)散的重要度量參數(shù)；凈運(yùn)動(dòng)速度、代表i組分在分子擴(kuò)散中的凈傳質(zhì)量；②分子擴(kuò)散通量：指多組分混合氣體中，A物質(zhì)由于分子擴(kuò)散效應(yīng)所引起的質(zhì)量傳遞的質(zhì)量通量。定義式：分子擴(kuò)散通量是質(zhì)量密度和分子擴(kuò)散速度的乘積。概念相似于熱通量Q’’（HeatFlux，ThermalFlux）也稱(chēng)熱流密度，具有方向性，其大小等于沿著這方向單位時(shí)間單位面積流過(guò)的熱量，方向即為沿等溫面之法線(xiàn)方向，且由高溫指向低溫方向。二、分子擴(kuò)散基本定律—斐克第一定律1.分子擴(kuò)散通量的斐克定律表達(dá)式：mA’’:A的分子擴(kuò)散通量；DAB：A氣體相對(duì)于B氣體的擴(kuò)散系數(shù)；負(fù)號(hào)表示傳質(zhì)方向是A的氣體濃度的反方向，即從高濃度分子區(qū)到低濃度分子區(qū)物質(zhì)的分子擴(kuò)散系數(shù)表示它的擴(kuò)散能力，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。根據(jù)菲克定律，擴(kuò)散系數(shù)是沿?cái)U(kuò)散方向，在單位時(shí)間每單位濃度梯度的條件下，垂直通過(guò)單位面積所擴(kuò)散某物質(zhì)的質(zhì)量。

質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)D和動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)ν及熱量擴(kuò)散系數(shù)α具有相同的單位（m2/s）或（cm2/s），擴(kuò)散系數(shù)的大小主要取決于擴(kuò)散物質(zhì)和擴(kuò)散介質(zhì)的種類(lèi)及其溫度和壓力。質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)一般要由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。2、氣體雙組份分子擴(kuò)散系統(tǒng)的重要結(jié)論：①零和效應(yīng)：系統(tǒng)總傳質(zhì)的質(zhì)量通量為0推廣：n組份系統(tǒng)同樣成立②DAB=DBA注：本節(jié)討論的分子擴(kuò)散，是指氣體混合物中的物質(zhì)依靠分子運(yùn)動(dòng)從高濃度轉(zhuǎn)移到低濃度的過(guò)程，分子擴(kuò)散在靜止或呈層流流動(dòng)的流體中進(jìn)行。三、分子運(yùn)動(dòng)論考慮一個(gè)簡(jiǎn)單地分子擴(kuò)散問(wèn)題：靜止的A、B雙組分氣體薄層，氣體分子為剛性球體，分子間無(wú)吸引力，分子質(zhì)量相等。假設(shè)在氣體薄層的x方向存在一個(gè)足夠小的濃度梯度，可認(rèn)為在幾個(gè)分子的平均自由程范圍內(nèi)，這種組分濃度基本成線(xiàn)性分布。

得到結(jié)論：3-3對(duì)流傳質(zhì)近壁面處速度邊界層、濃度邊界層、熱邊界層的比較：一、定義：在運(yùn)動(dòng)著的流體和相界面之間，或者在兩個(gè)不相混合的運(yùn)動(dòng)著的流體之間的質(zhì)量傳遞稱(chēng)為對(duì)流傳質(zhì)二、計(jì)算（牛頓輸運(yùn)公式）三、對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)kc對(duì)流傳熱系數(shù)：牛頓（Newton）冷卻公式（Newton‘slawofcooling）中的比例系數(shù)，一般記做h，單位是W/(㎡*K)，含義是對(duì)流換熱速率。大小與對(duì)流傳熱過(guò)程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于流體的物性以及換熱表面的形狀、大小與布置，而且還與流速有著密切的關(guān)系。傳質(zhì)系數(shù)kc，不僅取決于流態(tài)、流體物性、系統(tǒng)的幾何形狀與位置，還與濃度差有密切的關(guān)系

。確定kc的主要方法是濃度邊界層理論和動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞的相似比擬法（三傳類(lèi)比）。

類(lèi)似于對(duì)流傳熱基本計(jì)算式——牛頓（Newton）冷卻公式q=hΔT=h（Tw-Tf）；其中，Tw及Tf分別為壁面溫度和流體溫度，℃。這三種傳遞過(guò)程有相同的傳遞機(jī)理，相同的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。1874年O.雷諾首先指出熱量與動(dòng)量傳遞之間的類(lèi)似性，并給出摩擦因子與傳熱分系數(shù)之間的定量關(guān)系。隨后L.普朗特于1910年、G.I.泰勒于1916年和T.卡門(mén)于1939年相繼對(duì)雷諾類(lèi)比作了改進(jìn)。有的提出了新的類(lèi)比關(guān)系，并推廣到動(dòng)量傳遞和質(zhì)量傳遞的類(lèi)比。在類(lèi)比關(guān)系的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)已知的一類(lèi)傳遞規(guī)律，類(lèi)推其他兩種傳遞的規(guī)律。三傳類(lèi)比：指?jìng)鬟f過(guò)程中的動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞三者之間定量的類(lèi)比關(guān)系。常見(jiàn)的類(lèi)比關(guān)系有以下四種：雷諾類(lèi)比雷諾假定單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量為M的流體微團(tuán),從距壁面一定距離處向壁面運(yùn)動(dòng)，其流速由u降為零。以整個(gè)流場(chǎng)均為湍流的假設(shè)為基礎(chǔ)，認(rèn)為流體微團(tuán)直接將熱量帶到了壁面，而忽略了近壁處存在層流底層。普朗特類(lèi)比普朗特考慮到壁面附近有層流底層，流體到達(dá)層流底層后，不再以對(duì)流方式而以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行傳熱。卡門(mén)類(lèi)比卡門(mén)在前人的基礎(chǔ)上提出一個(gè)三層模型，他認(rèn)為，在湍流核心與層流底層之間還有一個(gè)過(guò)渡區(qū)?？?tīng)柋绢?lèi)比A.P.柯?tīng)柋緫?yīng)用管內(nèi)湍流傳熱的經(jīng)驗(yàn)式Nu=0.023Re0.8Pr1/3、范寧摩擦因子的經(jīng)驗(yàn)式f=0.046Re，上述其他三個(gè)類(lèi)比應(yīng)用于傳質(zhì)時(shí),也有相對(duì)應(yīng)的關(guān)系式。在Hr=0.5～50的范圍內(nèi)j因子經(jīng)常用于關(guān)聯(lián)傳熱、傳質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)邊界層分離時(shí)，除了摩擦阻力外，還存在壓差阻力（流動(dòng)阻力），這時(shí)類(lèi)比式不再適用，但jd和jh仍相等。五、常用準(zhǔn)則數(shù)流體力學(xué)中常用準(zhǔn)則數(shù)：雷諾數(shù)(Reynolds)：歐拉數(shù)(Euler)：弗勞德數(shù)(Froude)：韋伯?dāng)?shù)(Weber)：馬赫數(shù)(Mach)：準(zhǔn)則數(shù)名稱(chēng)定義式釋義畢渥數(shù)Bi固體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與其界面上換熱熱阻之比。傅立葉數(shù)Fo非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程的無(wú)量綱時(shí)間，表征過(guò)程進(jìn)行的深度。格拉曉夫數(shù)Gr浮升力與粘滯力之比的一種度量。努塞爾數(shù)Nu壁面上流體的無(wú)量綱溫度梯度。普朗特?cái)?shù)Pr動(dòng)量擴(kuò)散厚度與熱量擴(kuò)散厚度之比。雷諾數(shù)Re慣性力與粘滯力之比的一種度量。傳熱學(xué)中常用準(zhǔn)則數(shù)：L為特征尺寸；舍伍德數(shù)是反映包含有待定傳質(zhì)系數(shù)的無(wú)因次數(shù)群，類(lèi)似于傳熱中的努塞特?cái)?shù)，以符號(hào)Sh或Nsh表示，它表征的是對(duì)流傳質(zhì)與擴(kuò)散傳質(zhì)的比值，命名為Sherwood，主要是為了紀(jì)念美國(guó)著名化學(xué)工程家ThomasKilgoreSherwood。對(duì)流傳質(zhì)中常用準(zhǔn)則數(shù)：施密特?cái)?shù)（Schmidtnumbe