质量传输的基本概念及基本定律

1、第三篇第三篇 质质 量量 传传 输输冶金工程学院冶金工程学院冶金传输原理冶金传输原理Part Mass Transfer第三篇 质量传输 l 质量传输：质量传输：物质从物体或空间的某一部分转移到另一部分的现象，简称传质。 l 研究对象：研究对象：物质传递的规律及特点。 l 传质推动力：传质推动力：浓度差或浓度梯度。l 传质方式：传质方式： 物性传质 由分子运动即扩散性引起，亦称扩散传质。 对流传质 由流体流动引起。 l 研究方法：研究方法：借用研究传热的方法来研究传质。22:20:132l传质广泛存在于日常生活和工程领域之中。传质广泛存在于日常生活和工程领域之中。u日常生活日常生活：衣服的晾干

2、u工程领域工程领域：冶金、机械、能源、动力、低温工程、化工、环保等的物料的干燥、加湿、去湿、吸收、脱吸等等，如物料的干燥，燃料的燃烧，矿石的焙烧、还原，液态金属的吹炼，金属表面的热处理（渗碳、渗氮），纯铁、钢水、硅钢片的脱碳，铝合金、铜合金的精炼除氢，溶剂的萃取，亏水处理，烟气扩散，晶体生长，金属的凝固等等。3l氧化、还原、燃烧、汽化、渗碳等氧化、还原、燃烧、汽化、渗碳等 气气 固相间固相间 l吸收、吹炼等吸收、吹炼等 气气 液相间液相间l溶解、浸出、置换等溶解、浸出、置换等 液液 固相间固相间材料与冶金过程中的传质发生在不同的物质和不同材料与冶金过程中的传质发生在不同的物质和不同的浓度之间，

3、而大多数则发生在二相物质之间的浓度之间，而大多数则发生在二相物质之间:4lChapter 10 质量传输概述质量传输概述lChapter 11 扩散传质扩散传质lChapter 12 对流传质对流传质lChapter 13 材料与冶金中的综合传质材料与冶金中的综合传质5主主要要内内容容l 质量传输的基本概念质量传输的基本概念l 质量传输的基本定律质量传输的基本定律l 元体质量平衡方程（带扩散的连续性元体质量平衡方程（带扩散的连续性方程）方程）主要内容主要内容第10章 质量传输概述22:20:146第第10章章 质量传输概述质量传输概述1、浓度、浓度3mKgu 质量浓度质量浓度：单位体积混合物中

4、组分i的质量u 质量分数质量分数：组分i的质量浓度除以混合物的总质量浓度10.1 质量传输的基本概念指单位体积混合物中该组分物质量的多少。dVdmiiniiniimV1111%;1001niiii22:20:147第第10章章 质量传输概述质量传输概述10.1 质量传输的基本概念u 摩尔浓度摩尔浓度：单位体积混合物中组分i的摩尔数u 摩尔分数摩尔分数：组分i的摩尔浓度除以混合物的总摩尔浓度3mmoliiiMCNIICC11%;1001niiiixCCxTMRPiiiniipp1u 气体分压气体分压22:20:148第第10章章 质量传输概述质量传输概述以双组分以双组分A A、B B 的混合物为

5、例，它们的关系为的混合物为例，它们的关系为BBAAAAABBAAAAABABABBAABABABBAAMMMxMxMxMxCMxxCCCCCxCCx/1,1,10.1 质量传输的基本概念22:20:149第第10章章 质量传输概述质量传输概述2、浓度场、浓度梯度、浓度场、浓度梯度l浓度场浓度场某组分浓度在空间的分布及随时间变化规律叫该组分的某组分浓度在空间的分布及随时间变化规律叫该组分的浓度场。浓度场。C i =f（x，y，z，）10.1 质量传输的基本概念22:20:1410第第10章章 质量传输概述质量传输概述浓度场按时间稳定浓度场不稳定浓度场无质量蓄积 稳定传质定态传质不定态传质有质量蓄

6、积 不稳定传质10.1 质量传输的基本概念)z, y, x(fCi0Ci), z, y, x(fCi0Ci22:20:1411第第10章章 质量传输概述质量传输概述浓度场物理量性质空间三维浓度场 二维浓度场 一维浓度场 数量场 一维稳定浓度场： 三维不稳定浓度场： )x(fCi),(fCizyx10.1 质量传输的基本概念22:20:1412第第10章章 质量传输概述质量传输概述l浓度梯度浓度梯度10.1 质量传输的基本概念传质方向上单位距离上的浓度变化量（最大浓度变率）。nCgradCii低浓度 高浓度 22:20:1413第第10章章 质量传输概述质量传输概述10.1 质量传输的基本概念3

7、、速度、速度l迁移速度迁移速度静止坐标为参照，相对固定参照系某种物质或总混合系的速度称为迁移速度，又称绝对速度，而混合物的迁移速度也称主流速度。组分i的迁移流速用i表示，m/s。混合物的速度用平均速度来确定。摩尔平均速度：摩尔平均速度：质量平均速度：质量平均速度：iiiimiiiiMxCC22:20:1414第第10章章 质量传输概述质量传输概述10.1 质量传输的基本概念l扩散速度扩散速度平均速度为参照， 混合系中各组分相对平均速度而言的流速称组分的扩散速度，也称相对速度, i*表示。MiMimii*二元体系？二元体系？22:20:1415第第10章章 质量传输概述质量传输概述单位时间内通过

8、单位面积的组分单位时间内通过单位面积的组分i i的质量或摩尔数，的质量或摩尔数，组分的流速和浓度的乘积。组分的流速和浓度的乘积。矢量矢量10.1 质量传输的基本概念4、质量通量、质量通量l迁移通量（净通量）迁移通量（净通量）质量迁移通量：质量迁移通量：iiiiiinnnMiiiiiiCNNCxCN摩尔迁移通量：摩尔迁移通量：22:20:1416第第10章章 质量传输概述质量传输概述10.1 质量传输的基本概念iiijMiiiCJ材料、冶金、化工工程：材料、冶金、化工工程：n；N热处理、离子扩散：热处理、离子扩散：j一般扩散：一般扩散：Jl扩散通量质量扩散通量： 摩尔扩散通量：22:20:141

9、7第第10章章 质量传输概述质量传输概述nA=jA+An=jA+A(nA+nB)NA =JA + AN=JA + A(NA+NB)10.1 质量传输的基本概念 通 量 浓度基准A的总通量相对于静止坐标A的扩散通量相对于平均速度A的主体流动量相对于静止坐标质量基准nA=AuAnA=jA+AnjA = A （ uAu）jA =DAB（dA/dy）An=AuAn=A（nA+nB)摩尔基准NA =CAuANA =JA + ANJA =CA（uAuM）JA =DABC（dA/dy）AN=CAuMAN=A(NA+NB）22:20:1418第第10章章 质量传输概述质量传输概述10.1 质量传输的基本概念)

10、/(10385. 5)/(10866. 1);/(10519. 3)/(10946. 1)/(10211. 8);/(10125. 1/10496. 6/ )(/10727. 5/ )(/0829. 0;399. 3/737. 0;/662. 225252523242344333smkmolNNNsmkmolucNsmkmolucNsmkgnnnsmkgunsmkgunsmcucucusmuuumkmolcccmkgMcmkgMcBABBBAAABABBBAAABBAAMBBAAmBABABBBAAA例题例题10-1、由氧气（由氧气（A）和二氧化碳）和二氧化碳(B)构成的二元体系中发生一维构成

11、的二元体系中发生一维稳态扩散，已知稳态扩散，已知cA=0.0207kmol/m2s, cB=0.0622kmol/m2s,uA=0.0017m/s, uB=0.0003m/s,求求um,uM;nA,nB,n;NA,NB,N.解：解：22:20:1419第第10章章 质量传输概述质量传输概述1稳定浓度场稳定浓度场一无限宽大，厚为 的平板某组分初始浓度为C0 0平板下表面某组分浓度跃升到Cx并保持不变。 相邻各层逐次扩散，质量沿板厚方向传递，不稳定浓度场。 浓度分布不变，稳定浓度场已经建立。 10.2 质量传输的基本定律22:20:1420第第10章章 质量传输概述质量传输概述2. 菲克第一定律菲

12、克第一定律稳定浓度场 固体薄层 yCDJiiimol/m2.s任意方向 nCDJiiimol/m2.s Ji单位时间通过单位面积的扩散传质量，即扩散传质通量； nCi浓度梯度， mmmol/3负号质量传递方向与浓度梯度方向相反。 10.2 质量传输的基本定律22:20:1421第第10章章 质量传输概述质量传输概述某组分的扩散传质通量与浓度梯度成正比。 菲克第一定律： nDjiiikg/m2.sni质量浓度梯度， mmkg/310.2 质量传输的基本定律22:20:1422第第10章章 质量传输概述质量传输概述3.扩散系数Dim2/s影响因素 A物质的种类、组成； B温度、压力等。表征某一组分

13、扩散能力的物性参数，即浓度梯度为1时，单位时间通过单位面积的扩散传质量。10.2 质量传输的基本定律22:20:1423第第10章章 质量传输概述质量传输概述10.2 质量传输的基本定律气体：气体： 510-6110-5；GilliLand公式：公式：231315 . 075. 121110BABAABVVPMMTD5 . 1000TTPPDDPT液体：液体： 110-10110-9；固体：固体： 110-14110-10 ; Arrhenius公式：公式： RTEDDTexp022:20:1424第第10章章 质量传输概述质量传输概述元体分析法 建立方法： 建立依据： 质量守恒定律 元体质量收入- 元体质量支出= 元体质量蓄积 元体质量收支差 = 元体质量蓄积10.3 元体质量平衡方程22:20:1425第第10章章 质量传输概述质量传输概述10.3 元体质量平衡方程AAAAAzyxArzyxDDDzyx222222zyxDDAzAyAxAAAAAAAmzmymxARzCyCxCDDDCzyxC222222摩尔基准：元体质量平衡微分方程或带扩散的连续性方程元体质量平衡微分方程或带扩散的连续性方程22:20:1426第第10章章 质量传输概述质量传输概述10.3 元体质量平衡方程方程的简化方程的简化固体一维不稳态扩散传质：固体一维不稳态扩散传质： 22xCDCiii固体