质量传输简介.备课讲稿.ppt

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1、质量传输简介.基本概念混合物浓度的表示方法浓度梯度是质量传输的一种推动力。两种或两种以上物质组成的混合物中，各组分在混合物中所占份量的多少，习惯上称为浓度。某组分在混合物中占有的份额大，就表示该组分浓度高。浓度的表示方法很多。在混合物中的浓度梯度就是指某组分在混合物中的不同区域存在浓度.差异。本节主要介绍质量浓度和摩尔浓度。质量浓度是指单位体积的棍合物中含某组分i的质量，称为该组分的质量浓度，kg/m3，用表示。设有A,B两种物质组成的混合物，其总体积为V(m3)，两种物质的质量分别为mA(kg)和mBCkg)，则质量浓度定义为。8/15/20212摩尔浓度是指单位体积混合物中

2、含某组分示，单位是kmol/m3或mol/m3。定义式如下:式中，nA,nB分别为在混合物总体积中组分A,B的摩尔数，单位为kmol或mol。分压力是指气体混合物中当组分2处在与气体混合物相同的温度下，其单独占据气体混合物容积时所形成的压力，用pi，表示，单位为Pa。对于没有化学反应的理想混合气体，可运用理想气体状态方程表示分压力pi，即8/15/20213式中，Ri表示组分i的气体常数;Rm表示通用气体常数，Rm=8314J/(kmol·K);Mi表示组分i的分子量;mi表示组分i的质量，单位为kg;ni表示组分i的摩尔数。因此对混合气体而言，式还可表示为8/15/20214

3、传质的基本方式传质有两种基本方式:分子扩散和对流质交换。在固体内部或静止的流体中，或在垂直于浓度梯度方向作层流流动的流体中的质交换(传质)是由微观分子运动所引起的，称为分子扩散。它的机理类似于导热，故又称为传导传质。在流体中由于宏观对流引起的质交换，称为对流质交换或对流传质。这一机理与对流换热相类似。例如，糖块在溶人水的过程中，如果糖块是在静止的水中自然溶解，则是依靠分子随机运动的分子扩散，如果是用勺或筷子搅拌水而溶解，则是对流传质。发生在不随时间变化的浓度场中的传质过程，称为稳态传质。发生在随时间变化的浓度场中的传质，称为非稳态传质。本章主要讨论稳态传质过程。8/15/202

4、15扩散通量在传质中，用扩散通量或称扩散流率来表示质量传递的速度。扩散通量是指单位时间内通过单位横截面积的某一组分物质的数量。随着所选用的浓度单位不同，扩散通量可表示为质流通量m和摩尔通量N。质流通量m的单位为kg/(m2·s);摩尔通量N的单位是kmol/(m2·s)。8/15/20216一、斐克定律1855年，物理学家斐克(FickAE)确认质量扩散(分子扩散)与浓度梯度之间的关系，类似于导热与温度梯度之间的关系，即扩散通量与浓度梯度之间存在着线性关系，这就是斐克定律。在稳态扩散条件下，对于一个等温、等压(指总压力)由组分A,B组成的二元混合物，当此混合物无整体运动(宏观对

5、流)，且组分仅在y方向存在着由于浓度梯度引起的扩散时，斐克定律的表达式为:式中，mA和NA分别为组分A的质流通量和摩尔通量。两者的换算关系式是NA=mA/MA。扩散的基本定律8/15/20217可发现质扩散与动量传递的类似性以上三式，分别表示了分子扩散速率、导热速率和动量扩散速率各自与其相应的梯度成正比。它们具有形式相同的数学表达式，说明在一维系统中，动量交换、热量交换和质交换具有类似性，这三者之间是可以相互比拟的。8/15/20218应该指出，上述斐克定律的表达式只适用于混合物无显著宏观对流(整体运动)的等摩尔逆向扩散的场合。8/15/20219等摩尔逆向扩散的情况考察一包含

6、A,B两种组分的气体混合物。如果组分A和B的扩散方向相反，摩尔通量相等，即NA=-NB，则为等摩尔逆向扩散。参看图12一2，在稳态的等摩尔逆向扩散过程中，系统内任一点的总压力保持不变，即8/15/202110上式表明，当系统中各处总压力相等时，A,B两组分气体的浓度梯度大小相等，方向相反。根据Nn=-NB，可见，对于二元混合物，在等摩尔逆向扩散时，两种组分各自的质扩散系数在数值上相等。这个结论，同样适用于等质量互相扩散的情况。8/15/202111根据图12一2所示的边界条件，分别将上两式y1≤y≤y2范围内积分，得到组分A的扩散通量式为:8/15/2021128/15/202

7、113扩散系数根据菲克定律，扩散系数可理解为沿扩散方向，在单位时间内通过单位面积时，当浓度梯度为1的情况下所扩散的某组分的量，即：m2/sｋｍｏｌ／（ｍ２·ｓ）8/15/202114分子扩散系数简称扩散系数，它是物质的特性常数之一，表示物质扩散能力。一般来说，二元物系的扩散系数取决于物系的热力学状态、物质的成分和性质。从大量的实验数据可以看出，气体的扩散系数值最大，固体扩散系数值最小，液体的扩散系数值居中。扩散系数可由实验测定或从有关资料可查得，目前，有许多计算扩散系数的理论和经验公式，在无