热质交换原理与设备chapter2A演示文稿课件

物质浓度物质浓度有关物质浓度现象的认识有关物质浓度现象的认识是否有差异？是否有差异？花露水花露水近距离的感受近距离的感受远距离的感受远距离的感受如何用数学语言来如何用数学语言来表示这种差异？表示这种差异？2.1传质概论2.1.1混合物（A、B）组成的表示方法2.1.1.1质量浓度和物质的量浓度1.质量浓度A A =M =MA A/V/V混合物体积组分A的质量2 物质的量浓度C CA A=n=nA A/V/V两者的关系式：即单位体积内的质量即单位体积内的质量即单位体积内的质量即单位体积内的质量/摩尔质量单位体摩尔质量单位体摩尔质量单位体摩尔质量单位体积内的摩尔积内的摩尔积内的摩尔积内的摩尔组分A的摩尔混合物体积2.1.1.2 质量分数与摩尔分数1 质量分数2 摩尔分数与传质速度有关的现象与传质速度有关的现象如何定义这种现象？如何定义这种现象？传质速度传质速度静风静风有风有风花露水花露水 相同相同距离距离 感受到感受到气味的时气味的时间是否有间是否有差异？差异？2.1.2 传质的速度与扩散通量2.1.2.1 传质的速度绝对速度:相对于外界静止坐标(uA uB)与传质通量相关的现象与传质通量相关的现象传质通量传质通量如何定义这种现象如何定义这种现象？距离相同距离相同风速相同风速相同感受到气味是否感受到气味是否有差异？有差异？如何用数学语言表达？如何用数学语言表达？单位时间穿过垂直面的距离：单位时间穿过垂直面的距离：单位时间穿过单位面积的体积：单位时间穿过单位面积的体积：单位时间穿过单位面积的质量：单位时间穿过单位面积的质量：传质通量定义：传质通量定义：单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量，单位是物质的量，单位是 。+传质的通量+定义：单位时间通过垂直于传质方向上单位面积物质的量+1 以绝对速度表示的质量通量+2 平均速度定义（主体速度）以质量为基准以质量为基准以摩尔为基准以摩尔为基准2 以主体速度表示的质量通量扩散速度:相对于主体速度的移动速度(相对速度)uA-u uB-u或uAum、uBum 以扩散速度表示的质量通量绝对速度=主体速度+扩散速度第第2 2节节 物质传递的基本方式物质传递的基本方式传质现象传质现象第第2 2节节 物质传递的基本方式物质传递的基本方式有关物质传递方式的认识（有关物质传递方式的认识（1 1）(1)(1)物质传递的驱动力？物质传递的驱动力？高浓度向低浓度传递！高浓度向低浓度传递！分子扩散分子扩散 由于分子的无规则热运动而形成的物质传由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。递现象。分子热运动！分子热运动！(2)(2)物质传递的方向？物质传递的方向？实例分析：酒精挥发实例分析：酒精挥发移开移开瓶子外部空间，酒精浓度瓶子外部空间，酒精浓度0 0问题问题1 1：驱动力？：驱动力？问题问题2 2：驱动方向？：驱动方向？瓶子内部空间，酒精浓度瓶子内部空间，酒精浓度 有关物质传递方式的认识（有关物质传递方式的认识（2 2）烟草味烟草味烟草味烟草味烟草味烟草味空气运动空气运动流体的运动流体的运动传递方向？传递方向？由流体运动引起的物质扩散现象。由流体运动引起的物质扩散现象。对流扩散对流扩散驱动力？驱动力？流体流动的方向流体流动的方向实例分析：酒精在空间内的对流扩散实例分析：酒精在空间内的对流扩散酒精酒精酒精酒精分子扩散分子扩散酒精酒精 空气流动空气流动传递方向？传递方向？驱动力？驱动力？对流扩散对流扩散分子扩散分子扩散对流扩散对流扩散相同之处？相同之处？不同之处？不同之处？物质传递物质传递驱动力驱动力分子运动分子运动流体运动流体运动驱动方向驱动方向高浓度向低浓度高浓度向低浓度流体运动方向流体运动方向有关物质传递方式的认识（有关物质传递方式的认识（3 3）在实际情况中，这两种方式能否单独存在？在实际情况中，这两种方式能否单独存在？不能！不能！对流传质对流传质传递驱动力？传递驱动力？流体流过固体（或液体）表面时，分子扩散流体流过固体（或液体）表面时，分子扩散和对流扩散同时存在的物质传递现象。和对流扩散同时存在的物质传递现象。流体与固体（或液体）接触的传质表面流体与固体（或液体）接触的传质表面 研究对象？研究对象？分子热运动和流体运动综合作用分子热运动和流体运动综合作用对流传热对流传热实例分析：酒精的对流传质实例分析：酒精的对流传质酒精酒精酒精酒精分子扩散分子扩散酒精酒精 对流扩散对流扩散对流扩散？对流扩散？分子扩散？分子扩散？问题：对流扩散与对流问题：对流扩散与对流传质的本质区别？传质的本质区别？如何消除室内装修产生的挥发性污染物如何消除室内装修产生的挥发性污染物TVOCTVOC？污染源？污染源？传递方式？传递方式？案例分析：案例分析：装修材料装修材料分子扩散对流扩散分子扩散对流扩散方案分析方案分析污染源：污染源：污染源散发强度随时间关系污染源散发强度随时间关系 加快污染源加快污染源表面分子扩表面分子扩散速度散速度 减少周围减少周围空气污染空气污染物浓度物浓度？加大污染源与加大污染源与周围空气污染周围空气污染物的浓度差值物的浓度差值污染源升温，污染源升温，加速扩散（夏加速扩散（夏季装修）季装修）方案分析方案分析传递方式传递方式:降低室内降低室内空间污染空间污染物浓度物浓度 加强室内加强室内与室外对与室外对流扩散流扩散？不同通风方式下污染物随时间的关系不同通风方式下污染物随时间的关系课堂总结：课堂总结：2 2、对流传质与两种基本传质方式的关系。、对流传质与两种基本传质方式的关系。1 1、理解物质传递的两种基本方式。、理解物质传递的两种基本方式。导热基本原理类比导热基本原理类比 当物体厚度趋于无穷小当物体厚度趋于无穷小即通过一个面的导热量即通过一个面的导热量物体导热量因素：温差、厚度；物体导热量因素：温差、厚度；2.2扩散传质（扩散传质（Diffusion Mass Transfer）2024/7/82024/7/837372.2.1 扩散传质的基本概念和斐克定律2.2.1.1 扩散传质现象与扩散直接相关的因素(与导热强度导热强度类比)（1）扩散浓度差浓度差 (正比)（势差）（2）扩散的距离距离 (反比)（距离）定性的基本关系定性的基本关系2.2.3 斐克扩散定律(Ficks law of diffusion)当扩散距离趋于无穷小当扩散距离趋于无穷小即通过一个面的扩散量即通过一个面的扩散量定性的基本关系定性的基本关系定量的数学关系定量的数学关系与导热类似与导热类似2.2.3 斐克扩散定律(Ficks law of diffusion)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，强度强度）与组分 A的浓度梯度成正比 组分 A在组分 B中的扩散系数，；组分B在组分A中的扩散系数，。组分 A、B的质量扩散通量，-组分 A、B在扩散方向的质量浓度梯度浓度梯度，梯度梯度=y（最短）距离（最短）距离梯度方向：从低到高梯度方向：从低到高上两式表示在总质量浓度 不变的情况下，由于组分A、B的质量浓度梯度 引起的分子传质通量，负号负号表明扩散方向与浓度梯度方向相反，即分子扩散朝着浓度降低的方向进行。以摩尔为基准的斐克定律，则可表达成以下形式 组分A、B的摩尔扩散通量，组分AB在扩散方向的浓度梯度，；条件（1）浓度场不发生变化；（2）稳态扩散；（3）无整体运动假定穿过任一个垂直面两边的量分别为JA，JB，由条件（1）知任意断面上的流量恒定，即JA，JB恒定；由条件（2）知JA，JB与时间没有关系 由条件（3）知JA，JB两者的通量相同，方向相反，才能保证无整体运动因此有：JAJB 因为浓度恒定又因为所以因此可以统一写成D斐克定律只适用于由于分子无规则热运动引起的分只适用于由于分子无规则热运动引起的分子扩散过程子扩散过程，其传递的速度即扩散速度uA-u（或uA-um）。实际上，在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，气体中某种气体被吸收，在液体与气体界面上形成空隙，后面的气体会运动过来填补空隙，而形成气体的流动若在扩散的同时伴有混合物的主体流动，则物质实际传递的通量除分子扩散通量外，还应考虑由于主体流动而形成的通量。由通量定义和斐克定律可知通量定义通量定义斐克定律斐克定律因此，得上两式为斐克定律的普遍表达形式，由此可得出以下结论：组分的实际传质通量=分于扩散通量 十 主体流动通量 2.2.2气体中的稳态扩散过程 在气体扩散过程中，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等分子反方向扩散在系统中取z1和z2两个平面，设组分A、B在平面1处的浓度为 。，z2处的浓度为 ，且 ，系统的总浓度C恒定，而且每种成分的浓度是线性分布。分离变量并积分（稳态？，所以稳态？，所以N NA A是常数是常数）气相可按理想气体混合物将上述关系式代人2.2.2.2组分A通过停滞组分B的扩散（单向扩散）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进行扩散条件：稳态，总压力不变。组分B为不扩散组分，NB0，由此得NA整理后，得到：组分A通过停滞组分B的稳态扩散时的扩散通量表达式总浓度C恒定C=const（稳态，所以稳态，所以NA是常数是常数）由于扩散过程中总压力P不变，为组分的分的对数数平均分平均分压，得，得因为所以令得到的表达形式与双向扩散接近得到的表达形式与双向扩散接近2.2.5 扩散系数及其测量如果有了扩散系数，可以按菲克定律计算通量。为此需要知道特定情况下的扩散系数。扩散系数是怎么确定的呢？根据斐克定律受受物质种类、温度、浓度物质种类、温度、浓度的影响，目前还没有通的影响，目前还没有通用的理论可以进行准确的计算，扩散系数的获得用的理论可以进行准确的计算，扩散系数的获得主要依靠实验测量和相关的半经验公式求得。主要依靠实验测量和相关的半经验公式求得。二元混合气体如果可以当作理想气体（温度较高、温度较高、压力较小时压力较小时）不同温度下的D可以采用如下修正:D D0 0，是，是 温度温度T T0 0=273K=273K时的的扩散系数散系数由表由表2 22 2查得得温度高，分子运动加快温度高，分子运动加快压力大，分子间距减小压力大，分子间距减小其它任意两种气体气体A与B之间的分子扩散系数可用吉利兰提出的半经验公式估算 T热力学温度，力学温度，K；P总压强强，Pa；气体气体A、B的分子量；的分子量；g/molV VA A、V VB B气体气体 A A，B B沸点沸点时液液态摩摩尔尔容容积 公式公式269，表表23更正更正摩尔容积摩尔容积摩尔容积摩尔容积个人观点供参考，欢迎讨论！