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第4章質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞:4.1-1質(zhì)量傳遞的特點第一節(jié)基礎(chǔ)知識特點:與熱量傳遞相似,但又有區(qū)別。[1]分子擴(kuò)散:[2]對流傳質(zhì):形式:這是發(fā)生質(zhì)量傳遞的必要條件。例如:精餾、吸收、萃取、干燥、吸附、膜分離等。當(dāng)多組分系統(tǒng)中存在濃度差時,組分將自發(fā)地由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的遷移,這一過程稱為質(zhì)量傳遞(即傳質(zhì))。質(zhì)量傳遞有兩種基本形式,即分子擴(kuò)散和對流傳質(zhì)。由微觀的分子不規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生的質(zhì)量傳遞。是指流體與其相接觸部分(固體壁面、有限互溶運(yùn)動流體等)有濃度差存在時,而傳遞的質(zhì)量。分子擴(kuò)散與系統(tǒng)內(nèi)部的任何宏觀流動無關(guān)。相似性:區(qū)別:4.1-2基礎(chǔ)知識1.濃度[1]質(zhì)量濃度(ρi):[2]摩爾濃度(Ci):傳遞機(jī)理相似;導(dǎo)熱與分子擴(kuò)散相似;對流傳熱與對流傳質(zhì)相似。因此,質(zhì)量傳遞的定量描述比熱量傳遞還要復(fù)雜。質(zhì)量傳遞只存在于混合物中;在組分?jǐn)U散的同時,還可能存在流體的總體流動。質(zhì)量濃度與摩爾濃度之間的關(guān)系:單位體積混合物中組分i的質(zhì)量,kg/m3。單位體積混合物中組分i的摩爾量,kmol/m3。[3]質(zhì)量分率(wi):[4]摩爾分率(yi):2.速度[1]絕對速度(ui):[2]混合物的平均速度質(zhì)量平均速度;摩爾平均速度。組分i相對于靜止坐標(biāo)(固定平面)的速度,m/s。①質(zhì)量平均速度(u):②摩爾平均速度(uM):[3]擴(kuò)散速度:相對于質(zhì)量平均速度的擴(kuò)散速度相對于摩爾平均速度的擴(kuò)散速度3.Fick定律
擴(kuò)散速度為純粹由分子擴(kuò)散所產(chǎn)生的速度。組分i的絕對速度和平均速度之差,稱為擴(kuò)散速度。質(zhì)量通量摩爾通量x、y、z方向的質(zhì)量通量:比較式(※)與(※※)可得:對于一維擴(kuò)散:以上各式適用于恒溫、恒壓條件下的分子擴(kuò)散過程。對于非恒溫、非恒壓的普遍情況,Groot(1951年)提出的通量表達(dá)式為:即:Fick定律只適用于恒溫、恒壓的分子擴(kuò)散過程。對于一維擴(kuò)散:4.擴(kuò)散通量[1]分子擴(kuò)散通量分子擴(kuò)散通量:系指單純由分子不規(guī)則運(yùn)動所產(chǎn)生的,可用Fick定律來描述;①用質(zhì)量濃度表示的分子擴(kuò)散通量表達(dá)式(以一維為例)為:ρ=const.(恒溫、恒壓)②用摩爾濃度表示的分子擴(kuò)散通量表達(dá)式(以一維為例)為:C=const.(恒溫、恒壓)同時,又可以用擴(kuò)散速度和濃度的乘積來表示。恒溫、恒壓條件[2]通過某一固定平面的擴(kuò)散通量化工生產(chǎn)過程中,感興趣的往往是通過某一固定平面的擴(kuò)散通量,表示方法:質(zhì)量(擴(kuò)散)通量或摩爾(擴(kuò)散)通量。①質(zhì)量(擴(kuò)散)通量通過固定平面組分A的質(zhì)量(擴(kuò)散)通量等于其質(zhì)量濃度和絕對速度的乘積。例如,固體表面:吸附劑表面、催化劑表面等;流體表面:精餾、吸收、萃取、微元體表面等。即包括分子擴(kuò)散通量和對流擴(kuò)散通量兩部分,后者指流體總體流動時,帶動其中任一組分從一處到另一處的通量。(以二元系統(tǒng)、一維情況為例)ρ=const.(恒溫、恒壓)產(chǎn)生總體流動的原因是什么?舉例說明。常用公式:
nA—相對于固定平面的組分A的質(zhì)量(擴(kuò)散)通量;
nB—相對于固定平面的組分B的質(zhì)量(擴(kuò)散)通量;n—相對于固定平面的總的質(zhì)量(擴(kuò)散)通量。組分B與組分A有類似的關(guān)系。②摩爾(擴(kuò)散)通量C=const.(恒溫、恒壓)通過固定平面組分A的摩爾(擴(kuò)散)通量等于其摩爾濃度和絕對速度的乘積。常用公式:
NA—相對于固定平面的組分A的摩爾(擴(kuò)散)通量;
NB—相對于固定平面的組分B的摩爾(擴(kuò)散)通量;
N—相對于固定平面的總的摩爾(擴(kuò)散)通量。組分B與組分A有類似的關(guān)系。③總(擴(kuò)散)通量[3]多元混合物幾種通量之間的關(guān)系分子擴(kuò)散通量等于i組分的摩爾通量減去該組分的總體流動通量。即:總質(zhì)量(擴(kuò)散)通量:總摩爾(擴(kuò)散)通量:推廣到多組分由上式可得:多元混合物所有組分的分子擴(kuò)散通量之和必等于零。對于二元系統(tǒng):若無總體流動:則:稱為等摩爾相對擴(kuò)散。摩爾汽化潛熱基本相等的雙組分精餾過程。同理:對于二元系統(tǒng):若無總體流動:則:稱為等質(zhì)量相對擴(kuò)散。質(zhì)量汽化潛熱基本相等的雙組分精餾過程。5.擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)的分類:?擴(kuò)散系數(shù)的種類很多。按B組分的相態(tài)(通常為氣體、液體、固體等)可分為:?此外,文獻(xiàn)中還有自擴(kuò)散系數(shù)、互擴(kuò)散系數(shù)、表觀擴(kuò)散系數(shù)等說法;應(yīng)注意其含義。擴(kuò)散系數(shù)一直是擴(kuò)散問題研究的熱點。氣體(中的)擴(kuò)散系數(shù)、液體(中的)擴(kuò)散系數(shù)、固體(中的)擴(kuò)散系數(shù)等。影響擴(kuò)散系數(shù)的因素:溫度、壓力、濃度、體系等。<1>利用文獻(xiàn)(或手冊)實驗數(shù)據(jù);擴(kuò)散系數(shù)的確定方法:<2>缺乏實驗數(shù)據(jù)時,可選用經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式計算;<3>直接根據(jù)實驗測定。氣體擴(kuò)散系數(shù)的確定:?影響氣體擴(kuò)散系數(shù)的主要因素:?與液體和固體擴(kuò)散系數(shù)相比,氣體擴(kuò)散系數(shù)的研究相對比較好,有理論計算公式、還有很多經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式,需要時可查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料。溫度、壓力及體系等。對于雙組份氣體混合物,低壓下與濃度無關(guān)。氣體擴(kuò)散系數(shù)為10-5m2/s數(shù)量級。實驗數(shù)據(jù):氣體擴(kuò)散系數(shù)(0.1MPa)的部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示??梢姡簹怏w擴(kuò)散系數(shù)與體系有關(guān);氣體擴(kuò)散系數(shù)與溫度有關(guān),隨著溫度的提高而增加;液體擴(kuò)散系數(shù)為10-9m2/s數(shù)量級。實驗數(shù)據(jù):液體擴(kuò)散系數(shù)的部分實驗數(shù)據(jù)如表2所示??梢姡阂后w擴(kuò)散系數(shù)與體系有關(guān);液體擴(kuò)散系數(shù)與濃度有關(guān),隨著濃度的提高有增加的,但也有降低的;液體擴(kuò)散系數(shù)與溫度有關(guān),隨著溫度的提高而增加;液體擴(kuò)散系數(shù)的確定:?液體擴(kuò)散系數(shù)與溫度、濃度及體系等有關(guān)。?液體擴(kuò)散系數(shù)的理論研究不夠完善,只有很少的半經(jīng)驗公式,需要時可查閱相關(guān)文獻(xiàn)?!簟簟簟簟艄腆w擴(kuò)散系數(shù)在10-10~10-34m2/s數(shù)量級范圍變動。實驗數(shù)據(jù):固體擴(kuò)散系數(shù)的部分實驗數(shù)據(jù)如表3所示??梢姡汗腆w擴(kuò)散系數(shù)與體系有關(guān);固體擴(kuò)散系數(shù)與溫度有關(guān),隨溫度的提高而增加;固體擴(kuò)散系數(shù)的確定:?固體擴(kuò)散系數(shù)與溫度及體系等因素有關(guān)。?氣體、液體、固體在固體中的擴(kuò)散系數(shù),其理論研究還不夠充分;目前,還沒有固體擴(kuò)散系數(shù)的計算公式。【證明】:同理,對組分B,亦有:(※)+(※※),得:組分A的摩爾擴(kuò)散通量為:對于雙組分(A+B)混合物,組分A在組分B中的擴(kuò)散系數(shù)必等于組分B在組分A中的擴(kuò)散系數(shù)。又∵以上用摩爾通量來證明,也可用質(zhì)量通量來證明,除以上兩種方法外,亦可用下列方法來證明,補(bǔ)充作業(yè)。
補(bǔ)充作業(yè)。多孔固體材料的分類多孔固體材料的種類很多,分類方法也很多,微孔材料:孔徑<2nm介孔材料:孔徑=2~50nm;大孔材料:孔徑>50nm。氣體在多孔材料中擴(kuò)散的分類:努森擴(kuò)散。過渡擴(kuò)散;菲克擴(kuò)散;極微孔材料:孔徑<0.7nm;超微孔材料:孔徑=0.7~2nm;6.多孔固體中的擴(kuò)散※多孔材料:例如,按化學(xué)組成、是否有序等進(jìn)行分類。通常按孔徑大小進(jìn)行分類。氣體在多孔材料中的擴(kuò)散阻力:式中:d為平均孔徑,m;式中:P—壓力,Pa;μ—粘度,Pa·s;T—溫度,K。M—摩爾質(zhì)量,kg/kmol;R—氣體常數(shù);努森數(shù):部分氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的分子平均自由程如表所示。主要有兩種,一是氣體分子之間的碰撞阻力;二是氣體分子與孔壁之間的碰撞阻力。λ為分子的平均自由程,m??砂聪率接嬎悖和ǔR耘↘nudsen)數(shù)(Kn)的大小來表示這兩種碰撞阻力在氣體擴(kuò)散過程中所占的比例。<0.01,分子之間的碰撞阻力為主
;>10,分子與孔壁之間的碰撞阻力為主
。=0.01~10,兩種碰撞阻力同等重要
;菲克擴(kuò)散:實際上,當(dāng)Kn<0.01時,就可以認(rèn)為是Fick擴(kuò)散。即孔徑>10μm數(shù)量級的大孔材料,屬于Fick擴(kuò)散。理論上,當(dāng)Kn→0時,即孔徑無限大時,碰撞主要發(fā)生在氣體分子之間(如下圖),分子與孔壁間的碰撞可以忽略不計,這種擴(kuò)散稱為體相擴(kuò)散、或容積擴(kuò)散、普通擴(kuò)散、分子擴(kuò)散等。此時,氣體在多孔材料內(nèi)的擴(kuò)散服從Fick定律,故又稱為菲克(Fick)擴(kuò)散。努森擴(kuò)散:實際上,當(dāng)Kn>10時,就可以認(rèn)為是努森擴(kuò)散。努森擴(kuò)散通量方程:式中:DK—努森擴(kuò)散系數(shù),可按下式計算:理論上,當(dāng)Kn→∞時,即孔徑無限小時,碰撞主要發(fā)生在氣體分子與孔壁之間(如下圖),分子之間的碰撞可以忽略不計;這時,氣體在多孔材料內(nèi)的擴(kuò)散不再服從Fick定律,這種擴(kuò)散稱為努森擴(kuò)散。即介孔材料基本屬于努森擴(kuò)散。雖然不服從Fick定律,但還是表達(dá)成Fick定律的形式;但擴(kuò)散系數(shù)不同。設(shè)系統(tǒng)包括A、B兩個組分,系統(tǒng)T、P、ρ、DAB=const.,采用Euler法,對組分A進(jìn)行質(zhì)量衡算。4.1-3微分質(zhì)量衡算方程1直角坐標(biāo)系下的微分質(zhì)量衡算方程對組分B進(jìn)行質(zhì)量衡算,補(bǔ)充作業(yè)。過渡擴(kuò)散:
是介于努森擴(kuò)散和菲克擴(kuò)散之間的擴(kuò)散。一般把0.01<Kn<10時的擴(kuò)散稱之為過渡擴(kuò)散;此時,氣體分子間的碰撞和氣體分子與孔壁間的碰撞同樣重要,都不能忽略。這種擴(kuò)散既不服從Fick定律,也不符合努森擴(kuò)散方程;但有文獻(xiàn)推薦其擴(kuò)散通量仍然用Fick定律(形式)來確定;不過,將擴(kuò)散系數(shù)變成表觀擴(kuò)散系數(shù),可按下式計算:輸入(的質(zhì)量速率)
輸出(的質(zhì)量速率)輸入(的質(zhì)量速率)-輸出(的質(zhì)量速率)
假設(shè)通過x=x、y=y、z=z三個(固定)平面的質(zhì)量(擴(kuò)散)通量分別為:nAx、nAy、nAz。質(zhì)量衡算方程一般形式:輸入(的質(zhì)量速率)-輸出(的質(zhì)量速率)=累積(的質(zhì)量速率)累積(的質(zhì)量速率)采用Euler法,dxdydz=const.。質(zhì)量衡算方程式:輸入-輸出=累積假定質(zhì)量平均速度u在x、y、z三個方向的分量分別為:ux、uy、uz;通過靜止平面的質(zhì)量擴(kuò)散通量為:T,P=const.。上式稱為直角坐標(biāo)系下的微分質(zhì)量衡算方程。DAB=const.若用摩爾濃度表示,則微分質(zhì)量衡算方程的另一種表達(dá)形式為:
若在分子擴(kuò)散的同時,還伴有化學(xué)反應(yīng),則:RA[kmol/(m3·s)]為單位體積單位時間內(nèi)組分A的生成速率。其推導(dǎo)過程為補(bǔ)充作業(yè)。A為生成物為+,A為反應(yīng)物為-。
若無總體流動,也無化學(xué)反應(yīng),上式變成:直角坐標(biāo)系下的Fick第二定律。由于假定無總體流動,故Fick第二定律適用于固體、靜止液體、或氣體的等摩爾(或等質(zhì)量)相對擴(kuò)散等過程。rA的單位是kg/(m3·s)類似地,可以推導(dǎo)出柱坐標(biāo)系下的微分質(zhì)量衡算方程為:2柱坐標(biāo)系下的微分質(zhì)量衡算方程
若無總體流動,也無化學(xué)反應(yīng),上式變成:柱坐標(biāo)系下的Fick第二定律。類似地,球坐標(biāo)系下的微分質(zhì)量衡算方程為:3球坐標(biāo)系下的微分質(zhì)量衡算方程
若無總體流動,也無化學(xué)反應(yīng),上式變成:球坐標(biāo)系下的Fick第二定律。第二節(jié)分子擴(kuò)散4.2-1一維穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散1.無總體流動的一維穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散無總體流動上式和無內(nèi)熱源導(dǎo)熱微分方程形式完全類似。因此,解決這一類問題的方法與導(dǎo)熱問題也完全類似。簡化微分質(zhì)量衡算方程常微分方程通解定解條件特解濃度分布;擴(kuò)散通量;擴(kuò)散速率。Fick第二定律Fourier第二定律:無化學(xué)反應(yīng)過程的微分質(zhì)量衡算方程為:[固體、靜止液體、或氣體的等摩爾(或等質(zhì)量)相對擴(kuò)散過程等]、現(xiàn)以無限大平板的一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散為例:(1)方程簡化
①穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散②y、z方向無限大邊界條件為:積分,得:
(2)濃度分布
據(jù)邊界條件:
濃度分布:
可見,平壁內(nèi)濃度呈直線分布。(3)擴(kuò)散通量
無總體流動(4)擴(kuò)散速率推動力(濃度差)擴(kuò)散阻力濃度分布的另一種求解方法:無總體流動:穩(wěn)態(tài)過程:其他幾種情況(無限長圓筒壁、球壁)見《講義》p237~238表。2.具有總體流動的一維穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散求解方法Ⅰ:簡化微分質(zhì)量衡算方程常微分方程通解邊界條件特解簡化結(jié)果:求解思路:方程簡化:y、z方向無限大平板,無化學(xué)反應(yīng)的一維穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散。?求解方法Ⅱ(步驟):①方程(通量表達(dá)式):②根據(jù)過程特點,找出NA與NB間的關(guān)系或NA、NB的表達(dá)式;③積分求解。[1]通過靜止組分的單向穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散液體組分A以恒定的速率自液面蒸發(fā),并通過靜止的氣層(B)向上擴(kuò)散;假定氣體B不溶于液體A,也不與A發(fā)生化學(xué)反應(yīng);假定氣體B以較低的速度橫過管子開口端流動。模型描述:例如:A=水,B=空氣。過程特點:若P、T保持不變,B低速流動;且L=const.(靠補(bǔ)充A來實現(xiàn));各個截面上的濃度均勻;則為一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程。由于氣體B在液體A不溶解,而且二者又不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),即在界面上B的摩爾通量=0,C、DAB均等于常數(shù)。結(jié)論:對于一維、穩(wěn)態(tài)、無化學(xué)反應(yīng)的分子擴(kuò)散過程,當(dāng)傳質(zhì)面積不變時,在整個擴(kuò)散過程中,各組分的摩爾通量保持不變;由于NB=0(即不存在B的擴(kuò)散),所以,只有A在一個方向上的擴(kuò)散,即稱為單向擴(kuò)散。化工許多單元操作,如吸收、吸附,空氣的增濕等都是單向擴(kuò)散的例子。①濃度分布組分A的摩爾通量為:所以通過整個擴(kuò)散路程中,B組分的摩爾通量均為0,據(jù)上述分析NB=0,上式可簡化為:對于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程,如果A=const.,則:在恒溫、恒壓下,C、DAB均為常數(shù),則:再積分一次:根據(jù)邊界條件:濃度分布:解法2(濃度分布):對式(※)分離變量積分②擴(kuò)散通量
③擴(kuò)散速率通過靜止組分的一維穩(wěn)態(tài)單向擴(kuò)散通量。[2]通過靜止組分的一維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)單向擴(kuò)散實驗室常用如圖所示的實驗裝置來測定氣體擴(kuò)散系數(shù)。將實驗裝置置于0.1MPa的恒溫槽中。若液體上方直管中無對流混合,在很長的時間間隔內(nèi),液面降低很??;雖然傳質(zhì)邊界在移動,但可視為一維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散,下式仍可用:—氣體擴(kuò)散系數(shù)的測定通過靜止組分的一維穩(wěn)態(tài)單向擴(kuò)散通量。假定在dθ內(nèi),蒸發(fā)掉高度dL,其擴(kuò)散截面積為A,液體A的密度為ρA,組分A的分子量為mA,則蒸發(fā)速率(即擴(kuò)散速率)為:這樣,摩爾擴(kuò)散通量可用液面下降速率表示,即:聯(lián)立式(※)與(※※),可得:對上式分離變量,積分可得:以上討論了常見的兩種簡單擴(kuò)散—無總體流動和具有總體流動的單向擴(kuò)散。[3]邊界上有化學(xué)反應(yīng)的一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散例如(如圖):在催化劑表面上進(jìn)行的非均相化學(xué)反應(yīng)的一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程。組分A向催化劑表面擴(kuò)散,在表面上生成B,而組分B進(jìn)行反方向的擴(kuò)散。穩(wěn)態(tài)下,A和B之間的定量關(guān)系由化學(xué)反應(yīng)方程式來確定。擴(kuò)散區(qū)域非均相反應(yīng)的5個過程:①擴(kuò)散;②吸附;③反應(yīng);④脫附;⑤反擴(kuò)散。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式可知:【例題1】:甲烷的催化裂化反應(yīng):如圖所示。反應(yīng)物CH4(A)向催化劑表面擴(kuò)散,在表面上生成產(chǎn)品H2(B),而生成物B進(jìn)行反方向的擴(kuò)散。如果在擴(kuò)散區(qū)域(L)內(nèi)無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,且為一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程(恒溫、恒壓、擴(kuò)散面積等于常數(shù))。試求甲烷的濃度分布、摩爾擴(kuò)散通量NA及擴(kuò)散速率GA。1個反應(yīng)物和1個生成物的2組分混合物?!窘狻浚汉銣亍⒑銐?、擴(kuò)散面積等于常數(shù)的一維穩(wěn)態(tài)過程。式(※)÷式(※※),可得濃度分布為:由式(※※)得摩爾擴(kuò)散通量為:擴(kuò)散速率為:【例題2】:一非均相催化反應(yīng)如圖所示。反應(yīng)物A、B向催化劑表面擴(kuò)散,在表面上生成產(chǎn)品C、D,而生成物C、D進(jìn)行反方向的擴(kuò)散。如果在擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,且為一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程(恒溫、恒壓、擴(kuò)散面積等于常數(shù))。試求組分A的濃度分布、摩爾擴(kuò)散通量NA及擴(kuò)散速率GA。化學(xué)反應(yīng)方程式為:【解】:根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式可知:多個反應(yīng)物和多個生成物的多組分混合物。多組分混合物摩爾擴(kuò)散通量的一般表達(dá)式。恒溫、恒壓、擴(kuò)散面積等于常數(shù)的一維穩(wěn)態(tài)過程。式(※)÷式(※※),可得濃度分布為:由式(※※)得摩爾擴(kuò)散通量為:擴(kuò)散速率為:若上述化學(xué)反應(yīng)方程式變成為:故:摩爾擴(kuò)散通量方程相同,其他結(jié)果也同上。課堂練習(xí)。
一非均相催化反應(yīng)如圖所示。反應(yīng)物A、B向催化劑表面擴(kuò)散,在表面上生成產(chǎn)品C、D,而生成物C、D進(jìn)行反方向的擴(kuò)散。如果在擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,且為一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程(恒溫、恒壓、擴(kuò)散面積等于常數(shù))。試求組分A的濃度分布、摩爾擴(kuò)散通量NA及擴(kuò)散速率GA?!窘狻浚?.2非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散1.非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散與非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的相似性無總體流動、無化學(xué)反應(yīng)時,微分質(zhì)量衡算方程為:
無內(nèi)熱源時,導(dǎo)熱微分方程為:
可見,微分質(zhì)量衡算方程與導(dǎo)熱微分方程具有相似性(但注意是有條件的);Fick第二定律Fourier第二定律如果定解條件相似,則其解(濃度分布等)與非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱相似。
傳質(zhì)的Fourier數(shù):傳熱的Fourier數(shù):
傳熱的Biot數(shù):
傳質(zhì)的Biot數(shù):無總體流動時的對流傳質(zhì)系數(shù),m/s。傳質(zhì)的Biot數(shù)與Sherwood數(shù)的比較:相同點:不同點:①公式形式相同;[3]含義不同:無總體流動時的對流傳質(zhì)系數(shù)。2.非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散的三個階段①(半無限厚介質(zhì)非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散的)第一階段:Fo′<0.2;②(有限厚介質(zhì)非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散的)第二階段:Fo′>0.2;③穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散階段。
因此,非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散這一類問題的求解方法及傳質(zhì)規(guī)律也與非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱具有相似性。3.半無限厚介質(zhì)的一維非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散(1)方程簡化
與非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的三個階段相似。若總體流動可以忽略不計,也無化學(xué)反應(yīng),則上式變成:若x、z方向無限大(2)定解條件方程簡化為:(3)微分方程求解
微分方程、定解條件均與一維非穩(wěn)態(tài)層流流動(或?qū)幔┫嗨?,?yīng)用合成變量法,只要把速度(或溫度)變成濃度、動量擴(kuò)散系數(shù)(或熱擴(kuò)散系數(shù))變成擴(kuò)散系數(shù),非穩(wěn)態(tài)流動(或?qū)幔┙Y(jié)果就可以用于非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。
此外,還可以采用拉普拉斯變換法、象源函數(shù)法等求解方法。濃度分布:類似地,應(yīng)用合成變量法,得到濃度分布為:質(zhì)量滲透深度:與動量(或熱量)滲透深度完全類似。4.有限厚無限大平板的一維非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散有限厚無限大平板中的一維非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散與有限厚無限大平板的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的求解過程及結(jié)果完全類似,詳見《講義》p245~247。5.集總參數(shù)物體和非集總參數(shù)物體的非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散對于無限長圓柱體和球體的一維非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散,與導(dǎo)熱也類似,詳見《講義》p248及附錄p314。小結(jié)(非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散與非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的相似性)[1]微分方程的相似性(例如,F(xiàn)ourier第二定律與Fick第二定律),但是有條件的:Fourier第二定律:無內(nèi)熱源;
Fick第二定律:無總體流動、無化學(xué)反應(yīng)。
傳熱的Fourier數(shù)與傳質(zhì)的Fourier數(shù)相似傳熱的Biot數(shù)與傳質(zhì)的Biot數(shù)相似[2]傳遞準(zhǔn)數(shù)的相似性傳熱的Nusselt數(shù)與傳質(zhì)的Sherwood數(shù)相似傳熱的Prandtl數(shù)與傳質(zhì)的Schmidt數(shù)相似
三個階段相似(第一階段、第二階段、穩(wěn)態(tài)階段)[3]傳遞過程及其傳遞規(guī)律的相似性
無總體流動的一維穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散(無化學(xué)反應(yīng))與一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(無內(nèi)熱源)相似
半無限厚非穩(wěn)態(tài)問題相似(包括方程、定解條件、求解方法、溫度與濃度分布、滲透深度等,且與動量傳遞也具有相似性)
有限厚非穩(wěn)態(tài)問題相似(包括方程、定解條件、求解方法、溫度與濃度分布等)[4]傳遞物體的相似性
無總體流動的對流傳質(zhì)與對流傳熱相似(包括自然對流和強(qiáng)制對流)
集總熱容物體和非集總熱容物體的溫度與時間關(guān)系(算圖)
集總參數(shù)物體和非集總參數(shù)物體的濃度與時間關(guān)系(算圖)相似第三節(jié)對流傳質(zhì)4.3-1對流傳質(zhì)的數(shù)學(xué)描述1.對流傳質(zhì)的分類對流傳質(zhì)是指壁面與流體之間,或兩個有限互溶的運(yùn)動流體之間的質(zhì)量傳遞。對流傳質(zhì)的分類:自然對流傳質(zhì)和強(qiáng)制對流傳質(zhì)。強(qiáng)制對流傳質(zhì):外加動力、強(qiáng)制流動引起的。自然對流傳質(zhì):由于流體混合物內(nèi)組分濃度不同產(chǎn)生密度差而引起的。2.對流傳質(zhì)的數(shù)學(xué)描述—對流傳質(zhì)微分方程組描述對流傳質(zhì)的數(shù)學(xué)方程與對流傳熱的數(shù)學(xué)方程相似。與自然對流傳熱發(fā)生的原因不同。[1]對流傳質(zhì)微分方程與對流傳熱類似,若無總體流動,在壁面(或界面)附近,由Fick定律可得:移項可得:上式稱為對流傳質(zhì)微分方程。無總體流動時的對流傳質(zhì)系數(shù),m/s。對流傳質(zhì)問題的實質(zhì)在于如何確定對流傳質(zhì)系數(shù)??梢姡蠼鈧髻|(zhì)系數(shù),就需要知道壁面附近的濃度分布,而濃度分布又直接受傳質(zhì)邊界層的影響。為此,我們下面就要推導(dǎo)出邊界層質(zhì)量方程。[2]邊界層質(zhì)量方程對于二維層流傳質(zhì):
稱為(二維)層流邊界層質(zhì)量方程。穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)采用簡化N-S方程的類似方法,對上式各項進(jìn)行數(shù)量分析,可得:[3]邊界層動量方程對于強(qiáng)制對流:對于自然對流(推導(dǎo)過程見《講義》p183):[4]連續(xù)性方程從理論上講,聯(lián)立上述5個方程就可以得到對流傳質(zhì)系數(shù);但實際上,這樣5個微分方程聯(lián)立很難得到解析解,為此,下面將對這些方程進(jìn)行無因次化,以得到傳質(zhì)準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系,為實驗關(guān)聯(lián)等研究提供理論基礎(chǔ)。1.無因次變量4.3-2對流傳質(zhì)方程(組)的無因次化為把上述對流傳質(zhì)方程(組)變成無因次形式,故引進(jìn)下列無因次變量:2.無因次數(shù)及物理意義將無因次變量代入上述對流傳質(zhì)微分方程組中進(jìn)行無因次化(方法與對流傳熱類似),其結(jié)果見《講義》p266,并得到如下一些無因次數(shù)。修伍德(Sherwood)數(shù):施密特(Schmdit)數(shù):(反映了速度分布和濃度分布之間的內(nèi)在聯(lián)系)(與對流傳熱中的物理意義完全相同)雷諾(Reynolds)數(shù):傳質(zhì)格拉斯霍夫(Grashof)數(shù):(與對流傳熱中的Gr物理意義類同)3.對流傳質(zhì)的無因次數(shù)間關(guān)系與對流傳熱類似,我們很容易得到:[1]混合對流傳質(zhì)強(qiáng)制對流和自然對流的影響都不能忽略。[2]強(qiáng)制對流傳質(zhì)(忽略自然對流的影響)[3]自然對流傳質(zhì)(忽略強(qiáng)制對流的影響)注意:由于對流傳質(zhì)的微分方程組僅適用于層流,因此,上述分析原則上適用于層流。第四節(jié)相際傳質(zhì)理論通過第三節(jié)的討論,使我們了解到,求對流傳質(zhì)系數(shù)的方法有2種:基本思路:基本假定描述過程的微分方程(對微分質(zhì)量衡算方程簡化)求解濃度分布對流傳質(zhì)微分方程(壁面或界面附近)分子擴(kuò)散一是解對流傳質(zhì)微分方程組,但比較困難;二是通過實驗得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián),這是常用的方法;下面我們將討論第三種方法,即先假定一個擴(kuò)散模型(在y=0附近),再用數(shù)學(xué)方法求解得到濃度分布,再將濃度梯度代入對流傳質(zhì)微分方程中,得到傳質(zhì)系數(shù)。目前已出現(xiàn)了幾種理論模型—膜理論、溶質(zhì)滲透模型、表面更新模型等。濃度梯度(在
y=0處)4.4-1膜理論基本假定(基本思想):①無論層流或湍流,緊靠壁面(或界面)處的流體必呈層流流動;②假定傳質(zhì)阻力集中在緊靠壁面(或界面)的一薄層厚度為δe的虛擬膜中,虛擬膜中為分子擴(kuò)散阻力,并等于全部傳質(zhì)阻力;③在壁面(或界面)上,傳質(zhì)達(dá)到平衡狀態(tài),即為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程。微分方程:對于無總體流動的一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散,簡化得到:積分,得:
據(jù)邊界條件:
濃度分布:
可見,虛擬膜內(nèi)濃度呈直線分布。邊界條件:根據(jù)對流傳質(zhì)微分方程(一維):注意不能由此得出:許多實驗結(jié)果表明:由于傳質(zhì)過程的復(fù)雜性,主要論點:①傳質(zhì)主要靠旋渦運(yùn)動(從流體主體到界面);②旋渦在界面上停留極短時間進(jìn)行傳質(zhì)后,又返回到流體主體中;假定每個旋渦在界面上的停留時間相同;③旋渦在界面上停留時,傳質(zhì)以非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行。描述這一過程的微分方程是:4.4-2溶質(zhì)滲透模型無總體流動,y方向一維非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。定解條件:初始條件:
即假定旋渦到達(dá)界面(或壁面)前,體系內(nèi)部濃度分布均勻,無濃度梯度。邊界條件:
兩相接觸后,旋渦維持界面(或壁面)濃度不變。因為傳質(zhì)過程的擴(kuò)散系數(shù)小,接觸時間短,滲透深度很小,另一側(cè)維持初始濃度不變??梢哉J(rèn)為是半無限厚介質(zhì)的一維非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散問題。其解為:
任一時刻的傳質(zhì)系數(shù)為:是指在停留時間內(nèi)的平均值。可見:任一時刻的傳質(zhì)系數(shù)和平均傳質(zhì)系數(shù)都與擴(kuò)散系數(shù)的0.5次方成正比,溶質(zhì)滲透模型是非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)模型。溶質(zhì)滲透模型存在的問題:①旋渦在界面處的停留時間(或暴露時間)通常很難確定;②假定每個旋渦在界面處具有相同的停留時
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