第六章傳質(zhì)基本概念

1、第十章第十章 傳質(zhì)的基本概念傳質(zhì)的基本概念 10-1 傳質(zhì)的基本原理傳質(zhì)的基本原理 10-2 分子擴(kuò)散概念分子擴(kuò)散概念 10-3 對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì) 一、傳質(zhì)基本形式一、傳質(zhì)基本形式 基本原理基本原理 傳質(zhì)現(xiàn)象歸結(jié)為八種形式：傳質(zhì)現(xiàn)象歸結(jié)為八種形式：1濃度梯度引起的濃度梯度引起的分子分子(普通普通)擴(kuò)散擴(kuò)散2溫度梯度引起的熱擴(kuò)散溫度梯度引起的熱擴(kuò)散3壓力梯度引起的壓力擴(kuò)散壓力梯度引起的壓力擴(kuò)散4除重力以外的其他外力引起的強(qiáng)迫擴(kuò)散除重力以外的其他外力引起的強(qiáng)迫擴(kuò)散5強(qiáng)迫對(duì)流傳質(zhì)強(qiáng)迫對(duì)流傳質(zhì)6自然對(duì)流傳質(zhì)自然對(duì)流傳質(zhì)7紊流傳質(zhì)紊流傳質(zhì)8相際傳質(zhì)相際傳質(zhì)分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散 質(zhì)量對(duì)流質(zhì)量對(duì)

2、流：二、基本定義和公式二、基本定義和公式1.1.理想混合氣體理想混合氣體p理想氣體狀態(tài)方程式理想氣體狀態(tài)方程式 : : pVmRgT pV=nRT pvRgT p=RgTRg=R/MDaltons law of partial pressurep分壓力定律分壓力定律p T Vp T Vp T Vp T V分壓力分壓力pi 分壓力分壓力( (p pi i) ) : : 在與混合物相同的溫度的情況下在與混合物相同的溫度的情況下, , 每一種組成每一種組成氣體都獨(dú)自占據(jù)混合物相同的體積時(shí)氣體都獨(dú)自占據(jù)混合物相同的體積時(shí), ,組成氣體的壓力組成氣體的壓力分壓力分壓力pipVRTnnVRTpniinii

3、 11VRTnpii pV=nRTDalton分壓力定律分壓力定律ipp道爾頓定律道爾頓定律理想氣體混合物的壓力等于各理想氣體混合物的壓力等于各組成氣體分壓力之和組成氣體分壓力之和p分容積定律分容積定律 Amagat s law p T Vp T Vp T Vp T V分容積分容積Vi分體積分體積(vi) : 在與混合物相同的溫度和壓力的情況下在與混合物相同的溫度和壓力的情況下, 每一種組成氣體獨(dú)自占據(jù)的體積每一種組成氣體獨(dú)自占據(jù)的體積iinnVVTp,22nVTp單組分單組分混合物混合物33nVTppRTnVii VpRTnnpRTVniinii 11VVVVn 21pV=nRT niiVV

4、111nVTp 對(duì)某一組成氣體對(duì)某一組成氣體i：RTnpVii RTnVpii 對(duì)比二式，有：對(duì)比二式，有：VVppii 組成氣體的分壓力與混合物壓力之比，等于組成氣體的分壓力與混合物壓力之比，等于組成氣體的分容積與混合物容積之比。組成氣體的分容積與混合物容積之比。p重（質(zhì)）量比重（質(zhì)）量比 gi=Gi/G=mi/m gi=1 容積比容積比 ri=Vi/V ri=1nigiigRrR11nigiigRgR1 nigiignigiinigiinigiiniiRrmRRrTpVVRVTpVRVTpmm11111 nigiignigiiginiinigiiniiRgRVRgpmTRmmpmTRmpT

5、VV11111pVimiRgiTpVimiRgiT2.2.濃度和成分濃度和成分p濃度定義濃度定義：?jiǎn)挝蝗莘e中物質(zhì)的量稱為濃度。：?jiǎn)挝蝗莘e中物質(zhì)的量稱為濃度。 組分組分A的質(zhì)量濃度的質(zhì)量濃度A: :單位容積混合物中含有單位容積混合物中含有組分組分A A的質(zhì)量的質(zhì)量 若混合物由幾種組分構(gòu)成，則若混合物由幾種組分構(gòu)成，則混合物的質(zhì)量混合物的質(zhì)量濃度濃度為為: :VmAAnii1質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度 組分組分A A的質(zhì)量濃度與總質(zhì)量濃度之比，稱為的質(zhì)量濃度與總質(zhì)量濃度之比，稱為質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)：niiAniiAA111 組分組分A A的摩爾濃度的摩爾濃度c c：?jiǎn)挝蝗莘e混合物中含有：?jiǎn)挝蝗莘e混合物中含有組

6、分組分A A的摩爾數(shù)的摩爾數(shù)。niiAAAAAccRTpMVnc1RTpVncpiVniRT摩爾濃度摩爾濃度n摩爾分?jǐn)?shù)：摩爾分?jǐn)?shù)：固體和液體：xA=cA/c氣體： yA=cA/c yA=pA/p1111niiniiyx例題10-1 溫度為溫度為25和壓力為和壓力為10/m的干空氣主的干空氣主要由下列兩種組分組成：要由下列兩種組分組成：yO20.21；yN20.79。氧的摩爾質(zhì)量為。氧的摩爾質(zhì)量為0.032kg/mol，氮的，氮的摩爾質(zhì)量為摩爾質(zhì)量為0.028kg/mol 。試確定。試確定:(1)氧和氧和氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，(2)干空氣的平均分子量。干空氣的平均分子量。小 結(jié)質(zhì)量傳遞的基

7、本形式：分子擴(kuò)散、對(duì)流傳質(zhì)質(zhì)量傳遞的基本形式：分子擴(kuò)散、對(duì)流傳質(zhì)質(zhì)量濃度（密度）質(zhì)量濃度（密度） 質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾濃度摩爾濃度摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)分壓力分壓力 pi=ciRT （pV=nRT） pi=iRgiT （pVmRgT）濃度表示方法濃度表示方法Vmii iniiiimm 1iiiiMVnc ccnnxiniiii 1 在靜止的系統(tǒng)中，在靜止的系統(tǒng)中，由于濃度梯度而產(chǎn)由于濃度梯度而產(chǎn)生的質(zhì)量傳遞稱為生的質(zhì)量傳遞稱為分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散。一、分子擴(kuò)散速度和通量一、分子擴(kuò)散速度和通量1.分子擴(kuò)散速度 混合氣體中混合氣體中存在濃度梯度存在濃度梯度分子分子擴(kuò)散擴(kuò)散破壞壓破壞壓力平衡力平衡氣體的氣體的

8、整體移動(dòng)整體移動(dòng)在擴(kuò)散過(guò)程中要產(chǎn)生混合氣體的整體流動(dòng)在擴(kuò)散過(guò)程中要產(chǎn)生混合氣體的整體流動(dòng) 整體流動(dòng)的質(zhì)量平均速度質(zhì)量平均速度 : 整體流動(dòng)的摩爾平均速度摩爾平均速度: niiiuu1cucuniiiM 1 混合氣體的混合氣體的整體流動(dòng)速度整體流動(dòng)速度等于混合氣體中等于混合氣體中各組成氣體速度的平均值各組成氣體速度的平均值 整體流動(dòng)速度整體流動(dòng)速度ui 表示組分表示組分i i的速度；的速度； ui-u 表示組分表示組分i i相對(duì)于整體流動(dòng)的相對(duì)于整體流動(dòng)的 質(zhì)量平均速度質(zhì)量平均速度u u的擴(kuò)散速度；的擴(kuò)散速度；ui-uM 表示組分表示組分i i相對(duì)于整體流動(dòng)的相對(duì)于整體流動(dòng)的 摩爾平均速度摩爾平

9、均速度u uM M的擴(kuò)散速度。的擴(kuò)散速度。 表102 擴(kuò)散速度擴(kuò)散速度2.通量通量 通量通量( (即擴(kuò)散速率即擴(kuò)散速率) )是指在垂直于濃度梯度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)稱通量。物質(zhì)量，簡(jiǎn)稱通量。 通量是濃度和速度的乘積通量是濃度和速度的乘積，其單位由相應(yīng)，其單位由相應(yīng)的濃度和速度的單位決定，可以是的濃度和速度的單位決定，可以是質(zhì)量通質(zhì)量通量量kg/(mkg/(m2 2s)s)或或摩爾通量摩爾通量mol/(mmol/(m2 2s)s)等。等。 凈通量?jī)敉? :對(duì)于對(duì)于i i組分，其相對(duì)于固定坐標(biāo)的通量組分，其相對(duì)于固

10、定坐標(biāo)的通量叫該組分的叫該組分的凈通量?jī)敉俊?ni: :組分的組分的凈質(zhì)量通量?jī)糍|(zhì)量通量， Ni: :組分的組分的凈摩爾通量?jī)裟柾?分子擴(kuò)散通量分子擴(kuò)散通量: :對(duì)于對(duì)于i i組分，其相對(duì)于相對(duì)坐標(biāo)組分，其相對(duì)于相對(duì)坐標(biāo)的通量叫該組分的的通量叫該組分的分子擴(kuò)散通量分子擴(kuò)散通量。 分子擴(kuò)散質(zhì)量通量分子擴(kuò)散質(zhì)量通量ji: :相對(duì)于質(zhì)量平均速度的通量相對(duì)于質(zhì)量平均速度的通量 分子擴(kuò)散摩爾通量分子擴(kuò)散摩爾通量Ji: :相對(duì)于摩爾平均速度的通量相對(duì)于摩爾平均速度的通量3.通量、速度、濃度關(guān)系式通量、速度、濃度關(guān)系式 根據(jù)上述通量的概念，可以得到流體混合根據(jù)上述通量的概念，可以得到流體混合物平均速度

11、的另一種表示方法物平均速度的另一種表示方法: :cNcucunuuniiniiiMniiniii 1111 小 結(jié) )()(MiiiiiiiiiiiiMiiMiuucJuujucNunuuuuuuu相對(duì)于摩爾平均速度相對(duì)于摩爾平均速度相對(duì)于質(zhì)量平均速度相對(duì)于質(zhì)量平均速度摩爾通量：摩爾通量：質(zhì)量通量：質(zhì)量通量：相對(duì)靜止坐標(biāo)相對(duì)靜止坐標(biāo)通量通量；相對(duì)坐標(biāo)：相對(duì)坐標(biāo)：；靜止坐標(biāo)：靜止坐標(biāo)：速度速度 二、斐克第一定律二、斐克第一定律1.1.分子擴(kuò)散通量的斐克定律表達(dá)式：分子擴(kuò)散通量的斐克定律表達(dá)式：)()(,dzdDjdzdycDJAABzAAABzA 若雙組分混合物的濃度不變 與傅立葉定律比較：)(

12、)(,dzdDjdzdcDJAABzAAABzAdztcdadzdtqpz)( DAB的物理意義：質(zhì)量擴(kuò)散能力（類比）)()()()(1)()()(,cucucydzdycDucucucyucucuccubucdzdycDucadzdycDuucJzBBzAAAAABzAAzBBzAAAzMAzBBzAAzMzMAAABzAAAABzMzAAzA 凈通量有凈通量有兩部分兩部分：一部分是濃度梯度引：一部分是濃度梯度引起的分子擴(kuò)散通量；一部分是從整體流起的分子擴(kuò)散通量；一部分是從整體流動(dòng)中攜帶出來(lái)的組分動(dòng)中攜帶出來(lái)的組分A A的通量。的通量。)()()(,BAAAABABAAAABAzBzAAAA

13、BzAnnDnNNyycDNNNydzdycDN u在納維埃司托克斯方程式中要考慮擴(kuò)散在納維埃司托克斯方程式中要考慮擴(kuò)散 時(shí)，則選用時(shí)，則選用n和和j；u在化學(xué)反應(yīng)中，則應(yīng)選用在化學(xué)反應(yīng)中，則應(yīng)選用J和和N；u在傳質(zhì)設(shè)備的工程計(jì)算中，則用在傳質(zhì)設(shè)備的工程計(jì)算中，則用n和和N；u在擴(kuò)散室中測(cè)量擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，則應(yīng)選用在擴(kuò)散室中測(cè)量擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，則應(yīng)選用 JA和和j。3.3.各方程的使用情況：各方程的使用情況：例題例題10-2 有一管道內(nèi)充滿了氮有一管道內(nèi)充滿了氮(N(N）氦氦(He)(He)混合氣混合氣體，其溫度為體，其溫度為300K K，總壓力為，總壓力為1105N/m2，一端氮的分壓力為一端氮的分壓力為pA10.6105N/m2，另一，另一端為端為pA20.10.