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1、第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 第十三章 對(duì)流傳質(zhì) (p286)對(duì)流傳質(zhì)概念: 是指流體流動(dòng)情況下質(zhì)量傳輸?;蛘呤橇鲃?dòng)流體中,某組分向 “與固相或其它流體相” 相界面上傳質(zhì)。對(duì)流傳質(zhì)與擴(kuò)散傳質(zhì)不同點(diǎn): 除了有擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程外,還有流體微團(tuán)因紊流而發(fā)生物質(zhì)遷移。1第1頁(yè)第1頁(yè)菲克第一定律引出擴(kuò)散系數(shù)概念是考慮了某一距離間由于物質(zhì)濃度差引起物質(zhì)遷移問(wèn)題。第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 本節(jié)傳質(zhì)系數(shù): 是考慮到對(duì)流傳質(zhì)經(jīng)常出現(xiàn)在相界面上特點(diǎn)而提出,是一個(gè)百分比常數(shù)k:k=(JA) / (CAO-CA ) 。JA: 界面上物質(zhì)A傳質(zhì)通量。CAO: 物質(zhì)A在界面上濃度。CA: 流體主流中物質(zhì)A
2、濃度。菲克第一定律:擴(kuò)散通量與其濃度梯度成正比,方向與濃度梯度方向相反2第2頁(yè)第2頁(yè)D: 擴(kuò)散系數(shù)。JA: 界面上物質(zhì)A傳質(zhì)通量。CAO: 物質(zhì)A在界面上濃度。CA: 流體主流中物質(zhì)A濃度。第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 假如界面處流體中只有擴(kuò)散傳質(zhì), 則百分比常數(shù) k (對(duì)流傳質(zhì)系數(shù))為:3第3頁(yè)第3頁(yè)第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 1924年,劉易斯(Lewis)、惠特曼(Whitman)研究結(jié)論:在流體和相界面間出現(xiàn)傳質(zhì)時(shí),和動(dòng)量傳播邊界層相同,也是存在一個(gè)緊貼界面 “有效界面層”(即薄膜)13.1 傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)模型 (P286)4第4頁(yè)第4頁(yè)第三篇 質(zhì)量傳播 第13章
3、 對(duì)流傳質(zhì) “有效界面層”(即薄膜)特性下列:薄膜流體只能做層流流動(dòng), 不與濃度均勻流體主流紊流混合, 因此在膜內(nèi)傳質(zhì)屬于擴(kuò)散傳質(zhì)。2. 薄膜層內(nèi)濃度分布是穩(wěn)定。5第5頁(yè)第5頁(yè) 劉易斯和惠特曼理論,事實(shí)上是把流體對(duì)流傳質(zhì)簡(jiǎn)化成為:界面處“有效邊界層”內(nèi)穩(wěn)定擴(kuò)散傳質(zhì), 即:僅僅是有效邊界層厚度受到流體流動(dòng)情況影響。 邊界層內(nèi)濃度分布能夠按照線性分布處理。這樣通過(guò)薄膜擴(kuò)散摩爾通量為:又由于公式(13-1)第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 因此,對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)k 為:6第6頁(yè)第6頁(yè)公式與試驗(yàn)結(jié)果較吻合,但是時(shí)間 t 難以測(cè)定。第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 13.1.2 傳質(zhì)系數(shù)滲入模型和表
4、面更新理論 p287傳質(zhì)系數(shù)滲入模型:溶質(zhì)滲入理論(希格比 Higbie,1935年)希格比認(rèn)為液體在流動(dòng)過(guò)程中每隔一定期間 t 發(fā)生一次完全混合,使液體濃度均勻化,在時(shí)間 t 內(nèi),液相中發(fā)生不再是定態(tài)擴(kuò)散過(guò)程,而是非定態(tài)擴(kuò)散過(guò)程。依據(jù)上述假設(shè)經(jīng)數(shù)學(xué)描述得到:對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)k 為:7第7頁(yè)第7頁(yè)與試驗(yàn)結(jié)果較吻合,但S難求。第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 表面更新理論(丹克沃 Danckwerts,1951年) 丹克沃茨認(rèn)為液體在流動(dòng)過(guò)程中表面不斷更新,即不斷地有液體從主體轉(zhuǎn)為界面而暴露于氣相中,這種界面不斷更新使傳質(zhì)過(guò)程大大強(qiáng)化,其原因在于本來(lái)需要通過(guò)緩慢擴(kuò)散過(guò)程才干將溶質(zhì)傳至液體深處,現(xiàn)
5、通過(guò)表面更新,深處液體就有機(jī)會(huì)直接與氣體接觸以接受傳質(zhì)。定義S為表面更新頻率,通過(guò)數(shù)學(xué)描述并求解得到:8第8頁(yè)第8頁(yè)13.1.3 氣體原子在金屬液中傳質(zhì)系數(shù)測(cè)定p288 (看)第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 9第9頁(yè)第9頁(yè)13.2.1 對(duì)流傳質(zhì)流量 對(duì)流傳質(zhì)通量與擴(kuò)散傳質(zhì)通量不同: 對(duì)流傳質(zhì)通量除了含有由某種組分在流體分布中濃度梯度引發(fā)擴(kuò)散通量外,還應(yīng)含有由流體流動(dòng)引發(fā)傳質(zhì)通量。13.2.2 組分守恒方程(對(duì)流傳質(zhì)微分方程)對(duì)流傳質(zhì)微分方程推導(dǎo):主要利用質(zhì)量守恒原理 + 連續(xù)性方程 第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 13. 2 對(duì)流傳質(zhì)微分方程 p28910第10頁(yè)第10頁(yè)對(duì)流傳質(zhì)微
6、分方程推導(dǎo)環(huán)節(jié): (1)在流動(dòng)流體中,按照靜止三維坐標(biāo)取一個(gè)微元體。(2)依據(jù)質(zhì)量守恒原理,考慮組分A在單位時(shí)間內(nèi)由擴(kuò)散和流體流動(dòng)輸入和輸出該微元體組分A摩爾數(shù)關(guān)系:A在微元體中積累率=輸入微元體A摩爾流率 輸出微元體A摩爾流率推導(dǎo)得:p290 廣義傳質(zhì)方程公式(13-12)和(12-13)當(dāng)穩(wěn)定傳質(zhì)時(shí)候,得到公式(13-14)和(13-15)固相中穩(wěn)定傳質(zhì):公式(13-16)和(13-17)第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 11第11頁(yè)第11頁(yè)金屬液除器氣處理辦法:金屬液在真空中沿斜面連續(xù)往下流動(dòng)。金屬液體中氣體轉(zhuǎn)移到真空后被抽走。分析推導(dǎo):書(shū)本p291 圖13-4 13. 3 氣體與下降液膜間傳質(zhì) p291 局部長(zhǎng)度(x)上傳質(zhì)時(shí): P 292, 公式(13-25)整個(gè)傳質(zhì)長(zhǎng)度(x)上傳質(zhì)時(shí): P 292, 公式(13-26)第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 12第12頁(yè)第12頁(yè)濃度邊界層傳質(zhì): 是流體流過(guò)固體平面時(shí),與平板間出現(xiàn)傳質(zhì)過(guò)程。13.4.1 平板層流邊界層中對(duì)流傳質(zhì) p293P295 公式(13-39):長(zhǎng)度為L(zhǎng)平板,平均傳質(zhì)系數(shù)為:13. 4 濃度邊界層傳質(zhì) p293 第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 13第13頁(yè)第13頁(yè)第三篇 質(zhì)量傳播 第13章 對(duì)流傳質(zhì) 13.4.2 平板紊流邊界層中對(duì)流傳質(zhì) p296平板紊流濃度邊界層傳質(zhì)系數(shù)公式:P296
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