热质交换ppt第二章 热质交换过程

1第二章热质交换过程传热学中分析的流体和壁面间的对流换热过程，涉及的流体是单一物质或称一元体系；对二元体系流体，其中各组分的浓度不均匀，会发生传质或质交换，如：水分蒸发和煤气在空气中的弥散都为传质现象。传质常和传热复合在一起，如空调表冷器的冷却减湿工况，吸收器中的吸收过程，既有热交换又有质交换。2.1传质概论2.1.1混合物组成的表示方法2.1.1.1质量浓度与物质的量浓度1.质量浓度：表示单位体积混合物中某组分的质量对组分A：A=MA/V对混合气体，根据理想气体状态方程，mRTpV2TRpTRpBBBAAA可得：可见，对混合气体，质量浓度与分压力有关。混合物由N个组分组成，则混合物的总质量浓度为：2.物质的量浓度(摩尔浓度)：表示单位体积混合物中某组分的物质的量对组分A：CA=nA/V混合物由N个组分组成，则3.组分A的质量浓度与物质的量浓度的关系：2.1.1.2质量分数与摩尔分数1.质量分数：为混合物中某组分的质量与混合物总质量之比3对组分A：aA=MA/M=A/混合物由N个组分组成，则2.摩尔分数：为混合物中某组分的物质的量与混合物的总物质的量之比对组分A：xA=nA/n混合物由N个组分组成，则有当混合物为气液两相系时，常以x表示液相中的摩尔分数，y表示气相中的摩尔分数。3.组分A的质量分数与摩尔分数的互换关系用式(2-10)、(2-11)表示。42.1.2传质的速度和扩散通量2.1.2.1传质的速度如图2-1，组分A、B通过系统内任一静止平面的速度为uA、uB，该二元混合物通过此平面的速度为u或um(u以质量为基准，um以摩尔为基准)1.绝对速度：uA、uB代表组分A、B的实际速度；2.主体流动速度或平均速度：u或um代表混合物的移动速度，u为质量平均速度，um为摩尔平均速度3.扩散速度：uA-u、uB-u或“uA-um、uB-um代表相对主体流动速度的移动速度绝对速度=主体流动速度+扩散速度562.1.2.2传质的通量单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量称为传质通量。传质通量等于传质速度与浓度的乘积1.以绝对速度表示(1)质量通量：mA=AuA，mB=BuB混合物的总质量通量为：m=mA+mB=AuA+BuB=u得：(2)摩尔通量：NA=CAuA，NB=CBuB混合物的总摩尔通量：N=NA+NB=CAuA+CBuB=Cum得：72.以扩散速度表示(1)质量通量：(2)摩尔通量：3.以主体流动速度表示的质量通量(1)质量通量：(2)摩尔通量：892.1.3质量传递的基本方式2.1.3.1分子传质1.分子传质又称分子扩散，简称扩散，是由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象，如图2-2。分子扩散只在固体、静止或层流流动的流体内才会单独发生。2.分子扩散可以因浓度梯度、温度梯度或压力梯度而产生，或者是因对混合物施加一个有向的外加电势或其他势而产生。3.无浓度差的二元体系中，如存在温度差或压力差，会产生热扩散(又称索瑞特效应)或压力扩散，会导致浓度变化并引起浓度扩散。工程中，温差或总压差不大时，可不计热扩散和压力扩散。102.1.3.2对流传质1.对流传质(1)对流传质是指壁面和运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递。11(2)流体做对流运动，当流体中存在浓度差时，对流扩散亦同时伴随分子扩散，分子扩散与对流扩散两者的共同作用称为对流质交换。对流质交换是在流体与液体或固体的两相交界面上完成的。(3)流体湍流时，对流传质是湍流主体与相界面之间的紊流扩散与分子扩散传质作用的总和。2.紊流扩散在湍流流体中，由于存在大大小小的漩涡运动，而引起各部位流体间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质便朝着浓度降低的方向进行传递。这种凭借流体质点的湍流和漩涡来传递物质的现象，称为紊流扩散。在湍流流体中，分子扩散是时刻存在的。由于紊流扩散的通量远大于分子扩散的通量，一般可忽略分子扩散的影响。122.2扩散传质2.2.1斐克定律斐克定律：在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中组分A和组分B将发生互扩散。其中组分A向组分B的扩散通量(质量通量j或摩尔通量J)与组分A的浓度梯度成正比。1.定义表达式：2.摩尔浓度为基准的斐克定律的表达式：对于两组分扩散系统，13则：斐克定律适用范围：分子无规则热运动引起的扩散过程，其传递的速度即为扩散速度uA-u(或uA-um)。3.斐克定律普遍表达式分子扩散的同时经常伴有流体的主流运动，如用液体吸收气体混合物中溶质组分的过程，如图2-3。即：根据式(2-14)可化为：1415同理：组分的实际传质通量=分子扩散通量+主体流动通量2.2.2气体中的稳态扩散过程分子扩散有两种形式，即双向扩散(反方向扩散)和单向扩散(一组分通过另一停滞组分的扩散)。2.2.2.1等分子反方向扩散由式(2-32)，对于等分子反方向扩散，如图2-4，取z1和z2两个平面为研究对象，各参数如图。式(2-33)经分离变量并积分，得：(2-32)(2-34)1617当扩散系统处于低压时，气相可按理想气体混合物处理，则：(2-35)式(2-34)、式(2-35)即为A、B两等分子反方向扩散时的扩散通量表达式。2.2.2.2组分A通过停滞组分B的扩散(单向扩散)1.设组分A、B两组分组成的混合物中，组分A为扩散组分，组分B为不扩散组分(称为停滞组分)，组分A通过停滞组分B进行扩散。例如水面上的饱和蒸汽向空气中的扩散以及化工吸收过程中水吸收空气中的氨。组分B为不扩散组分，NB=0，由式(2-32)，得：18整理得：系统中取z1和z2两个平面，如图2-5所示。式(2-36)经分离变量并积分得：(2-36)式(2-37)、式(2-38)即为组分A通过停滞组分B的稳态扩散时的扩散通量表达式。2.式(2-38)可变形如下：(2-37)(2-38)1920由于扩散过程中总压力p不变，则令，称为组分的对数平均分压。则比较式(2-39)与式(2-35)可得，(2-39)21“漂流因数”p/pBM反映了主体流动对传质速率的影响，ppBM，漂流因数p/pBM1，这表明由于主体流动而使物质A的传递速率较之单纯的分子扩散要大一些。组分A通过停滞组分B扩散时，浓度分布为对数型，在扩散距离的任一点处，pA、pB之和为系统总压力p。组分A通过停滞组分B扩散的浓度分布如图2-5所示。222.2.3液体中的稳态扩散过程液体中的分子扩散速率远远低于气体中的分子扩散速率，其原因是由于液体分子之间的距离较近，扩散物质A的分子运动容易与邻近液体B的分子相碰撞，使本身的扩散速率减慢。2.2.3.1液体中的扩散通量方程扩散系数应以平均扩散系数、总浓度应以平均总浓度代替。即：23上式为液体中组分A在组分B中进行稳态扩散时扩散通量方程的形式。2.2.3.2等分子反方向扩散扩散通量方程：浓度分布方程：2.2.3.3组分A通过停滞组分B的扩散扩散通量方程：停滞组分B的对数平均浓度24浓度分布方程：(2-47)2.2.4固体中的稳态扩散过程固体中的扩散，包括气体、液体和固体在固体内部的分子扩散。例如固体物料的干燥、固体吸附、固体除湿等过程，均属固体中的扩散。一般，分为两种类型，一种是与固体内部结构基本无关的扩散；另一种是与固体内部结构基本有关的多孔介质中的扩散。2.2.4.1与固体内部结构无关的稳态扩散当流体或扩散溶质溶解于固体中，并形成均匀的溶液，此种扩散即为与固体内部结构无关的扩散。25由于固体扩散中，组分A的浓度一般都很低，CA/C很小可忽略，则上式变为：积分式为：只适用于扩散面积相等的平行平面间的稳态扩散。扩散面积不等时，可采用平均截面积作为传质面积。通过固体界面的分子传质速率GA可写成：如图2-6所示，沿圆管径向扩散，平均扩散面积为26如图2-7所示，沿球面径向扩散，平均扩散面积为当气体在固体中扩散时，溶质的浓度常用溶解度S定义为：单位体积固体、单位溶质分压所能溶解的溶质A的体积。2.2.4.2与固体内部结构有关的多孔固体中的稳态扩散(自学)272.2.5扩散系数及其测量1.定义：指沿扩散方向，单位时间单位浓度降时，垂直通过单位面积所扩散的某物质的质量或者摩尔数，即：smdydCndydmDAAAA/22.扩散系数的影响因素：D的大小主要取决于扩散物质或扩散介质的种类及温度、压力。3.气－气和气体在液体D，见T2-1，D一般由实验测定。由表中数据可见：液相质扩散的D比气相质扩散的D低一个数量级以上。4.对二元混合气体，231~TpD2829T2-2的测量条件：5.吉利兰半经验公式：KTPap273,10013.1050其它状态需要修正：23000TTppDDBABAVVpTD11)(71.4352313123cm2/s(2-69)可见：D与气体浓度无直接关系，D随温度的升高、压力的降低而增大。6.固相质扩散的D比液相中低一个数量级。一般由实验确定。30312.3对流传质基本特点：(1)对流传质过程包括由流体位移产生的对流作用和流体分子间的扩散作用。(2)对流传质是在流体流动条件下的质量传输过程，其中包含着由质点对流和分子扩散两因素决定的传质过程。对流传质过程与流体的运动特性密切相关。(3)对流传质过程不仅与动量和热量传输过程相类似，而且还存在着密切的依存关系。2.3.1对流传质系数类似于对流换热的分析，对于二元混合流体系统摩尔浓度为CA,∞的流体流过一固体表面，表面处的组分浓度保持在CA,s≠CA,∞，F2-12。3233固体壁面与流体之间的对流传质速率可定义为：,,ASAmACChN式中：hm为对流传质系数，m/s，与流体的性质、壁面的几何状和粗糙度、流体的速度等因素有关，一般很难确定。2.3.2浓度边界层及其对传质问题求解的意义2.3.2.1浓度边界层的概念1.浓度边界层定义：当流体流过固体壁面进行质量传递时，由于溶质组分A在流体主体中与壁面的浓度不同，壁面附近的流体将建立组分A的浓度梯度，离壁面一定距离的流体中，组分A的浓度是均匀的。因此，可以认为质量传递的全部阻力集中于固体表面上一层具有浓度梯度的流体层中，该流体层即称为浓度边界层(亦称为扩散边界层或34或传质边界)。由此可知，流体流过壁面进行传质时，在壁面上会形成两种边界层，即速度边界层与浓度边界层。速度边界层和热边界层决定壁面摩擦和对流换热，浓度边界层决定了对流传质。2.F2-13，表面处流体中的组分A的浓度CAS和自由流中的浓度CA不同，产生浓度边界层。浓度边界层厚度δc为时与壁面的垂直距离y值。99.0,,,ASAASACCCC3.y0时，组分的传递是由整个流体运动和扩散决定的；在紧贴壁面y=0处，流体速度为零，不存在流体运动，组分的传递只是扩散引起的。在稳态传质下，组分A通过静止流层的传质速率应等于对流传质速率，即：3536(2-71)则：4.用质量浓度表示：(2-72)(2-73)5.用式(2-72)求解对流传质系数的步骤：(1)求解运动方程和连续性方程，得出速度分布；(2)求解传质微分方程，得出浓度分布；(3)由浓度分布，得出浓度梯度；(4)由壁面处的浓度梯度，求得对流传质系数。应用：仅能求解一些较为简单层流传质问题。【例2-5】372.3.2.2边界层的意义1.(1)速度边界层δ(x)，特征：存在速率梯度和较大切应力。主要表现形式：表面摩擦，边界层重要参数：摩擦系数Cf。(2)热边界层δt(x)，特征：存在温度梯度和传热，主要表现形式：对流换热，边界层重要参数：对流换热系数h(3)浓度边界层δc(x)，特征：存在浓度梯度和组分传递，主要表现形式：对流传质，边界层重要参数：对流传质系数hm。2.对于流过任意表面的流动，总是存在速度边界层，因而存在表面摩擦。当表面与自由流的温度不相同时，才存在热边界层，从而存在对流换热。当表面的组分浓度和自由流浓度不同时才存在浓度边界层，从而存在对流传质。383.一般，三种边界层都存在。如图2-14，在一给定的