傳質(zhì)的基本概念

傳質(zhì)的基本概念第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第十章傳質(zhì)的基本概念簡介傳質(zhì)是指在兩種或兩種以上的組元構(gòu)成的混合物系中，如果其中各處濃度不同(存在濃度差)時(shí)，則必發(fā)生減少濃度不均勻性的過程，各組元將由濃度大的地方向濃度小的地方遷移，即質(zhì)量傳遞現(xiàn)象。第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三分子擴(kuò)散（擴(kuò)散）；傳熱和傳質(zhì)的推動(dòng)力傳質(zhì)的八種形式；質(zhì)量傳遞的基本形式；分子擴(kuò)散;質(zhì)量對(duì)流;對(duì)流擴(kuò)散重（質(zhì)）量比;容積比

濃度的定義

質(zhì)量濃度；質(zhì)量分?jǐn)?shù)

摩爾濃度；摩爾分?jǐn)?shù)第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三§10-1傳質(zhì)的基本原理分子擴(kuò)散（擴(kuò)散）：在有兩種以上物質(zhì)組成的混合物中，如果各區(qū)域存在濃度差別，由于分子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，物質(zhì)的分子會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域轉(zhuǎn)移。傳熱的推動(dòng)力——溫度差傳質(zhì)的推動(dòng)力——濃度差第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三一、傳質(zhì)基本形式基本原理

1濃度梯度引起的分子(普通)擴(kuò)散

2溫度梯度引起的熱擴(kuò)散

3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

5強(qiáng)迫對(duì)流傳質(zhì)

6自然對(duì)流傳質(zhì)

7紊流傳質(zhì)

8相際傳質(zhì)分子擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散傳質(zhì)現(xiàn)象歸結(jié)為八種形式：第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三質(zhì)量傳遞的基本形式：分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散：分子擴(kuò)散和質(zhì)量對(duì)流的聯(lián)合作用質(zhì)量對(duì)流：依靠流體各部分間的宏觀相對(duì)位移引起的質(zhì)量傳遞。質(zhì)量交換、熱量交換、動(dòng)量交換三者在機(jī)理上是類似的。第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三二、基本定義和公式理想氣體狀態(tài)方程式:

pV＝mRgTpV=nRTpv＝RgTp=ρRgT道爾頓定律:piV＝niRTΣpi=p

亞美格定律:pVi＝niRTΣVi=V重（質(zhì)）量比

gi=Gi/G=mi/mΣgi=1

容積比

ri=Vi/VΣri=11.理想混合氣體第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三pVi＝miRgiTpVi＝miRgiT第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.濃度和成分濃度定義：單位容積中物質(zhì)的量稱為濃度。濃度表示方法：質(zhì)量濃度(m/V):單位為kg/m3或g/cm3摩爾濃度(n/V):單位為kmol/m3或mol/cm3第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三組分A的質(zhì)量濃度ρA:單位容積混合物中含有組分A的質(zhì)量若混合物由幾種組分構(gòu)成，則混合物的質(zhì)量濃度為:質(zhì)量濃度第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三組分A的質(zhì)量濃度與總質(zhì)量濃度之比，稱為質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωＡ：第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三組分A的摩爾濃度cＡ：單位容積混合物中含有組分A的摩爾數(shù)。piV＝niRT摩爾濃度第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三摩爾分?jǐn)?shù)：固體和液體：xA=cA/c氣體：yA=cA/cyA=pA/p第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三例題10-1溫度為25℃和壓力為10５Ｎ/m２的干空氣主要由下列兩種組分組成：yO2＝0.21；yN2＝0.79。氧的摩爾質(zhì)量為0.032kg/mol，氮的摩爾質(zhì)量為0.028kg/mol。試確定:(1)氧和氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，(2)干空氣的平均分子量。第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三解：對(duì)于一摩爾干空氣：氧：（1mol)0.21(0.032kg/mol)=0.00672kg氮：（1mol)0.79(0.028kg/mol)=0.0221kg總質(zhì)量：0.00672+0.0221=0.0288kg即干空氣的平均分子量為0.0288kg/mol質(zhì)量分?jǐn)?shù)：第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三小結(jié)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)量分?jǐn)?shù)摩爾濃度摩爾分?jǐn)?shù)分壓力pi=ciRT（pV=nRT）pi=ρiRgiT

（pV＝mRgT）濃度表示方法第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三§10-2分子擴(kuò)散概念在靜止的系統(tǒng)中，由于濃度梯度而產(chǎn)生的質(zhì)量傳遞稱為分子擴(kuò)散。第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三一、分子擴(kuò)散速度和通量1.分子擴(kuò)散速度

混合氣體中存在濃度梯度分子擴(kuò)散氣體的整體移動(dòng)在擴(kuò)散過程中要產(chǎn)生混合氣體的整體流動(dòng)第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三整體流動(dòng)的質(zhì)量平均速度

:整體流動(dòng)的摩爾平均速度:混合氣體的整體流動(dòng)速度等于混合氣體中各組成氣體速度的平均值整體流動(dòng)速度第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三ui

表示組分i的速度；ui-u

表示組分i相對(duì)于整體流動(dòng)的質(zhì)量平均速度u的擴(kuò)散速度；ui-uM

表示組分i相對(duì)于整體流動(dòng)的摩爾平均速度uM的擴(kuò)散速度。

擴(kuò)散速度第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.通量通量(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)所通過的物質(zhì)量，簡稱通量。通量是濃度和速度的乘積，其單位由相應(yīng)的濃度和速度的單位決定，可以是質(zhì)量通量kg/(m2·s)或摩爾通量mol/(m2·s)等。第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三凈通量:對(duì)于i組分，其相對(duì)于固定坐標(biāo)的通量叫該組分的凈通量。ni:組分的凈質(zhì)量通量，Ni:組分的凈摩爾通量分子擴(kuò)散通量:對(duì)于i組分，其相對(duì)于相對(duì)坐標(biāo)的通量叫該組分的分子擴(kuò)散通量。分子擴(kuò)散質(zhì)量通量ji:相對(duì)于質(zhì)量平均速度的通量分子擴(kuò)散摩爾通量Ji:相對(duì)于摩爾平均速度的通量第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三各種通量的定義式為：凈質(zhì)量通量ni＝ρiui

凈摩爾通量

Ni＝ciui

分子擴(kuò)散質(zhì)量通量ji＝ρi(ui－u)

分子擴(kuò)散摩爾通量

Ji＝ci(ui－uM）由上面關(guān)系可以得到擴(kuò)散方程：

ni=ji+ρiuNi=Ji+ciuM

第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三3.通量、速度、濃度關(guān)系式根據(jù)上述通量的概念，可以得到流體混合物平均速度的另一種表示方法:第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三小結(jié)第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三二、斐克第一定律1.分子擴(kuò)散通量的斐克定律表達(dá)式：第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三若雙組分混合物的濃度不變與傅立葉定律比較：DAB的物理意義：質(zhì)量擴(kuò)散能力（類比）第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.凈通量斐克定律表達(dá)式：第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三凈通量有兩部分：一部分是濃度梯度引起的分子擴(kuò)散通量；一部分是從整體流動(dòng)中攜帶出來的組分A的通量。第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三在納維埃－司托克斯方程式中要考慮擴(kuò)散時(shí)，則選用nＡ和jＡ；在化學(xué)反應(yīng)中，則應(yīng)選用JＡ和NＡ；在傳質(zhì)設(shè)備的工程計(jì)算中，則用nＡ和NＡ；在擴(kuò)散室中測量擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，則應(yīng)選用

JA和jＡ。3.各方程的使用情況：第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三例題10-2有一管道內(nèi)充滿了氮(N２）—氦(He)混合氣體，其溫度為300K，總壓力為1×105N/m2，一端氮的分壓力為pA1＝0.6×105N/m2，另一端為pA2＝0.1×105Ｎ／m2，兩端相距30cm，已知擴(kuò)散系數(shù)DＮ２－He＝0.687×10-4m２／s，試計(jì)算穩(wěn)態(tài)下氮的分子擴(kuò)散摩爾通量。

第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三§10-3對(duì)流傳質(zhì)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)量傳遞稱為對(duì)流傳質(zhì)。二、計(jì)算：

NA=kcΔcA（10-25）kc——傳質(zhì)膜系數(shù)，它不僅取決于流態(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

式（10-25）和牛頓冷卻公式q=αΔt比較。

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