第十章 传质的基本概念.ppt

1 传质学 2 第十章传质的基本概念 简介传质是指在两种或两种以上的组元构成的混合物系中 如果其中各处浓度不同 存在浓度差 时 则必发生减少浓度不均匀性的过程 各组元将由浓度大的地方向浓度小的地方迁移 即质量传递现象 3 请同学们认真读第一节内容 找出以下概念 分子扩散 扩散 传热和传质的推动力传质的八种形式 质量传递的基本形式 分子扩散 质量对流 对流扩散重 质 量比 容积比浓度的定义质量浓度 质量分数摩尔浓度 摩尔分数 4 10 1传质的基本原理 分子扩散 扩散 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 如果各区域存在浓度差别 由于分子运动的随机性 物质的分子会从浓度高的区域向浓度低的区域转移 传热的推动力 温度差 传质的推动力 浓度差 5 一 传质基本形式基本原理 传质现象归结为八种形式 1浓度梯度引起的分子 普通 扩散2温度梯度引起的热扩散3压力梯度引起的压力扩散4除重力以外的其他外力引起的强迫扩散5强迫对流传质6自然对流传质7紊流传质8相际传质 分子扩散 对流扩散 6 质量传递的基本形式分子扩散质量对流对流扩散质量交换 热量交换 动量交换三者在机理上是类似的 分子扩散和对流扩散 在静止的流体或垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体以及固体中由微观粒子运动所引起的扩散 当流体作紊流或层流流动时 质量交换过程除层流底层的微观粒子扩散外 还依靠流体各部分间的宏观相对位移引起的质量对流 分子扩散和质量对流的联合作用 7 二 基本定义和公式 1 理想混合气体 理想气体状态方程式分压力定律分容积定律重量比容积比Rgi与Rg的关系 8 理想气体状态方程式 pV nRTpV mRgTpv RgTp RgT Rg R M 9 Dalton slawofpartialpressure 分压力定律 pTV pTV 分压力pi 分压力 pi 在与混合物相同的温度的情况下 每一种组成气体都独自占据混合物相同的体积时 组成气体的压力 10 分压力pi pV nRT Dalton分压力定律 道尔顿定律 理想气体混合物的压力等于各组成气体分压力之和 11 分容积定律Amagat slaw pTV 分容积Vi pV nRT pVi niRT 分体积 vi 在与混合物相同的温度和压力的情况下 每一种组成气体独自占据的体积 12 单组分 混合物 pV nRT 亚美格定律 理想气体混合物的容积等于各组成气体分容积之和 13 对某一组成气体i 对比二式 有 组成气体的分压力与混合物压力之比 等于组成气体的分容积与混合物容积之比 14 重 质 量比gi Gi G mi m gi 1容积比ri Vi V ri 1 15 pVi miRgiT pVi miRgiT Rgi与Rg的关系 16 2 浓度和成分 浓度定义 单位容积中物质的量称为浓度 浓度表示方法 质量浓度 m V 单位为kg m3或g cm3摩尔浓度 n V 单位为kmol m3或mol cm3 17 组分A的质量浓度 A 单位容积混合物中含有组分A的质量若混合物由几种组分构成 则混合物的质量浓度为 质量浓度 18 组分A的质量浓度与总质量浓度之比 称为质量分数 19 组分A的摩尔浓度c 单位容积混合物中含有组分A的摩尔数 piV niRT 摩尔浓度 20 摩尔分数 固体和液体 xA cA c气体 yA cA cyA pA p 21 例题10 1 温度为25 和压力为10 m 的干空气主要由下列两种组分组成 yO2 0 21 yN2 0 79 氧的摩尔质量为0 032kg mol 氮的摩尔质量为0 028kg mol 试确定 1 氧和氮的质量分数 2 干空气的平均分子量 22 小结 质量传递的基本形式 分子扩散 对流传质质量浓度 密度 质量分数摩尔浓度摩尔分数分压力pi ciRT pV nRT pi iRgiT pV mRgT 浓度表示方法 23 10 2分子扩散概念 在静止的系统中 由于浓度梯度而产生的质量传递称为分子扩散 24 一 分子扩散速度和通量 1 分子扩散速度 混合气体中存在浓度梯度 分子扩散 破坏压力平衡 气体的整体移动 在扩散过程中要产生混合气体的整体流动 25 整体流动的质量平均速度 整体流动的摩尔平均速度 混合气体的整体流动速度等于混合气体中各组成气体速度的平均值 整体流动速度 26 ui表示组分i的速度 ui u表示组分i相对于整体流动的质量平均速度u的扩散速度 ui uM表示组分i相对于整体流动的摩尔平均速度uM的扩散速度 表10 2 扩散速度 27 2 通量 通量 即扩散速率 是指在垂直于浓度梯度方向的单位面积上 单位时间内所通过的物质量 简称通量 通量是浓度和速度的乘积 其单位由相应的浓度和速度的单位决定 可以是质量通量kg m2 s 或摩尔通量mol m2 s 等 28 净通量 对于i组分 其相对于固定坐标的通量叫该组分的净通量 ni 组分的净质量通量Ni 组分的净摩尔通量分子扩散通量 对于i组分 其相对于相对坐标的通量叫该组分的分子扩散通量 分子扩散质量通量ji 相对于质量平均速度的通量分子扩散摩尔通量Ji 相对于摩尔平均速度的通量 29 各种通量的定义式为 净质量通量ni iui净摩尔通量Ni ciui分子扩散质量通量ji i ui u 分子扩散摩尔通量Ji ci ui uM 由上面关系可以得到扩散方程 ni ji iuNi Ji ciuM 30 3 通量 速度 浓度关系式 根据上述通量的概念 可以得到流体混合物平均速度的另一种表示方法 31 32 小结 33 二 斐克第一定律 1 分子扩散通量的斐克定律表达式 34 若双组分混合物的浓度不变与傅立叶定律比较 DAB的物理意义 质量扩散能力 类比 35 2 净通量斐克定律表达式 36 净通量有两部分 一部分是浓度梯度引起的分子扩散通量 一部分是从整体流动中携带出来的组分A的通量 37 在纳维埃 司托克斯方程式中要考虑扩散时 则选用n 和j 在化学反应中 则应选用J 和N 在传质设备的工程计算中 则用n 和N 在扩散室中测量扩散系数时 则应选用JA和j 3 各方程的使用情况 38 39 例题10 2 有一管道内充满了氮 N 氦 He 混合气体 其温度为300K 总压力为1 105N m2 一端氮的分压力为pA1 0 6 105N m2 另一端为pA2 0 1 105 m2 两端相距30cm 已知扩散系数D He 0 687 10 4m s 试计算稳态下氮的分子扩散摩尔通量 40 41 10 3对流传质 一 定义 在运动着的流体和相界面之间 或者在两个不相混合的运动着的流体之间的质量传递称为对流传质 二 计算 NA kc cA 10 25 kc 传质膜系数 它不仅取决于流态 流体物性 系统的几何形状与