冶金传输原理质量传输幻灯片.ppt

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1、冶金传输原理质量传输第1页，共34页，编辑于2022年，星期五研究对象：研究对象：物质传递的规律及特点。第3篇 质量传输 借用研究传热的方法来研究传质。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。浓度差或浓度梯度。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。传质有两种基本方式：传质有两种基本方式：传质推动力：研究方法：第2页，共34页，编辑于2022年，星期五第12章 质量传输的基本概念及基本定律 12.1 质量传输的基本概念 12.2 质量传输的基本定律 12.3 微元体质量平衡方程（带扩散的连续性方程）第3页，共34页，编辑于2

2、022年，星期五12.1 质量传输的基本概念1.浓度及其表示方法浓度及其表示方法参与传质过程的混合物中的某一组分的浓度是指单位体积混合物中该组分物质量的多少。质量浓度 摩尔浓度 气体的浓度 kg/m3mol/m3相对质量浓度 相对摩尔浓度 第4页，共34页，编辑于2022年，星期五组分浓度在空间和时间上的变化关系。数学表达式：浓度场按时间稳态浓度场：非稳态浓度场：，无质量蓄积 稳定传质定态传质不定态传质有质量蓄积 非稳态传质浓度场：12.1 质量传输的基本概念2.浓度场及浓度梯度第5页，共34页，编辑于2022年，星期五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 一维稳态浓

3、度场：一维非稳态浓度场：12.1 质量传输的基本概念第6页，共34页，编辑于2022年，星期五浓度梯度：传质方向上单位距离上的浓度变化量（最大浓度变率）。表达式：方向：低浓度 高浓度为正 12.1 质量传输的基本概念第7页，共34页，编辑于2022年，星期五浓度边界层：12.1 质量传输的基本概念第8页，共34页，编辑于2022年，星期五1.菲克第一定律14.2 质量传输的基本定律稳定浓度场 mol/m2.s固体薄层 mol/m2.s任意方向 mol/m2.s ni单位时间通过单位面积的扩散传质量，即扩散传质通量；浓度梯度，负号质量传递方向与浓度梯度方向相反。第9页，共34页，编辑于2022年

4、，星期五某组分的扩散传质通量与浓度梯度成正比 菲克第一定律：kg/m2.s质量浓度梯度，12.2 质量传输的基本定律第10页，共34页，编辑于2022年，星期五3.扩散系数Di单位:m2/s物理意义:影响因素:表征某一组分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。A物质的种类、组成；自身扩散系数：液体 110-10110-9；固体 110-14110-10气体 510-6110-5；B温度、压力等。互扩散系数：液体 经验数据固体 经验数据气体 计算式（12-25）12.2 质量传输的基本定律第11页，共34页，编辑于2022年，星期五12.3 元体质量平衡方程（带

5、扩散的连续性方程）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=元体质量蓄积固体一维不稳定扩散传质 菲克第二定律菲克第二定律固体一维稳定扩散传质 第12页，共34页，编辑于2022年，星期五第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第13页，共34页，编辑于2022年，星期五13.1 稳态扩散传质稳态扩散传质稳定扩散传质的特点：稳定扩散传质的特点：无质量蓄积，通过物体的扩散传质量为常数。研究目的：结合一定的实验方法确定物质的互扩散系数。研究方法：借用稳定导热类似的求解方法。第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第14

6、页，共34页，编辑于2022年，星期五1气体通过平壁的扩散气体通过平壁的扩散积分壁内浓度场表达式为 当扩散系数Di为常数时，平壁内浓度场是线性的 13.1 稳态扩散传质稳态扩散传质第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第15页，共34页，编辑于2022年，星期五菲克第一定律 扩散传质通量 mol/m2.smol/m2.s令 k传质系数，m/sm2/s13.1 稳态扩散传质稳态扩散传质第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第16页，共34页，编辑于2022年，星期五2气体通过圆筒壁的扩散气体通过圆筒壁的扩散积分壁内浓度场表达式为 当扩散系数Di为常数时，圆筒壁内浓度场呈对

7、数曲线分布 13.1 稳态扩散传质稳态扩散传质第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第17页，共34页，编辑于2022年，星期五菲克第一定律 mol/s13.1 稳态扩散传质稳态扩散传质第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第18页，共34页，编辑于2022年，星期五1传质基本方程菲克第二定律 2边界条件表面浓度Cw为常数和介质浓度Cf为常数3相似特征数传质傅里叶数 传质毕渥数 13.2 非稳态扩散传质非稳态扩散传质第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第19页，共34页，编辑于2022年，星期五（1）表面浓度为常数，“有限厚”物体的不稳定扩散平均浓度（2）

8、介质浓度为常数，“有限厚”物体的不稳定扩散（3）表面浓度为常数，“无限厚”物体的不稳定扩散13.2 非稳态扩散传质非稳态扩散传质第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第20页，共34页，编辑于2022年，星期五1浓度边界层（质量边界层）浓度边界层（质量边界层）流体流过表面并与之发生对流传质时，靠近表面形成的具有浓度梯度的流体薄层。定义浓度边界层的基本特征：与热边界层类似 ；浓度边界层有层流和紊流之分；浓度边界层外的浓度梯度为零，可视为等浓度区。13.3对流传质的基本概念对流传质的基本概念第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第21页，共34页，编辑于2022年，星期五有

9、效浓度边界层：有效浓度边界层：流体与表面进行对流传质时，只存在浓度均一、浓度梯度为零的紊流核心区和集中全部传质阻力、浓度线性分布的层流底层区。紊流核心区与层流底层区假想浓度分布线的交点A至表面的停滞流体层，称为“有效浓度边界层”，其厚度以 表示。此时，表面上的浓度梯度可表示为13.3对流传质的基本概念对流传质的基本概念第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第22页，共34页，编辑于2022年，星期五2对流传质系数mol/s mol/m2.s流体及表面浓度，mol/m3；A传质面积，m2；ki对流传质系数根据“有效浓度边界层”的概念，按菲克第一定律：可得：与对流换热系数h类似。13.

10、3对流传质的基本概念对流传质的基本概念第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第23页，共34页，编辑于2022年，星期五单位：对流传质系数对流传质系数m/s 物理意义：单位时间、通过单位面积、在单位浓度差下的对流传质量，表征流体对流传质作用。影响因素：影响对流传质作用的因素如流体流动的起因、流动的性质、流体的物性、表面几何特性等。13.3对流传质的基本概念对流传质的基本概念第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第24页，共34页，编辑于2022年，星期五对对流流传传质质系系数数确确定定方方法法精确解法 近似积分法 相似理论-模型实验法 类比法 13.3对流传质的基本概念

11、对流传质的基本概念第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第25页，共34页，编辑于2022年，星期五3对流传质系数计算式表面上的扩散传质量 对流传质量 13.3对流传质的基本概念对流传质的基本概念第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第26页，共34页，编辑于2022年，星期五 当流体靠近物体表面流过时，存在着一层附壁的薄膜，假定膜内流体与主流不相混合，整个传质过程就是此薄膜上的扩散作用，而且认为在薄膜上呈线性的浓度分布。表现为稳定特征-有效浓度边界有效浓度边界层层。4对流传质系数的模型理论薄膜理论13.3对流传质的基本概念对流传质的基本概念第第13章章 扩散传质与对流

12、传质扩散传质与对流传质第27页，共34页，编辑于2022年，星期五渗透理论 当流体流过表面时，有流体质点不断穿过流体的附壁薄层向表面迁移并与之接触，流体质点在与表面接触之际则进行质量的转移过程，此后流体又回到主流核心中。一维不稳定扩散过程 13.3对流传质的基本概念对流传质的基本概念第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第28页，共34页，编辑于2022年，星期五表面更新理论在流体质点不断投向表面并在表面接触后又不断离开的过程中，随时有新的质点补充离去的位置，这就形成了表面上质点不断更新的现象。大多数的对流传质过程 n=0.51.013.3对流传质的基本概念对流传质的基本概念第第1

13、3章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第29页，共34页，编辑于2022年，星期五5相关特征数普朗特数 努塞尔数 施密特数 舍伍德数 13.3对流传质的基本概念对流传质的基本概念第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第30页，共34页，编辑于2022年，星期五层流 传质斯坦顿数紊流 13.4流体流过平板时的对流传质流体流过平板时的对流传质第第13章章 扩散传质与对流传质扩散传质与对流传质第31页，共34页，编辑于2022年，星期五柯尔伯恩类比 平板传热 平板传质 管内传热 管内传质 16.2 流体流过平板时的对流传质流体流过平板时的对流传质例16-1 P277第32页，共34

14、页，编辑于2022年，星期五一、本课的基本要求一、本课的基本要求1掌握对流传质系数的单位、物理意义、影响因素。2掌握对流传质简化模型及对流传质系数的模型理论。3掌握舍伍德数和施密特数的表达式及物理意义。4能够借用对流传热方法解决对流传质问题。二、本课的重点、难点二、本课的重点、难点重点：对流传质系数的单位、物理意义、影响因素及求法。难点：对流传质系数的模型理论。三、作业三、作业习题12-4,13-6小结小结第33页，共34页，编辑于2022年，星期五本章小结本章小结主要内容：对流传质的基本概念，流体流过平板时的对流传质，动量、热量、质量传输的类比。重点：对流传质的基本概念，动量、热量、质量传输的类比。基本要求：掌握对流传质的定义，施密特数及舍伍德数的物理意义；会用柯尔伯恩类比求对流传质系数。第34页，共34页，编辑于2022年，星期五