2.3对流传质解析
化工原理传质知识点总结
化工原理传质知识点总结一、基本概念1.1 传质的意义传质是指物质在不同相之间的传递过程。
在化工工程中，传质是指溶质在溶剂中的扩散、对流、传热、反应等传输现象。
1.2 传质的分类传质可以根据溶质与溶剂之间的接触方式分为不同的分类：（1）扩散传质：溶质在溶剂中的自由扩散过程，不需要外力的帮助。
（2）对流传质：通过溶剂的对流运动，加快溶质的扩散速率。
（3）辐射传质：发射源释放的辐射物质在空气中传输的过程。
1.3 传质的单位在化工工程中，我们通常使用质量通量或摩尔通量来描述传质的速率。
质量通量用kg/(m^2·s)或g/(cm^2·min)表示，摩尔通量用mol/(m^2·s)或mol/(cm^2·min)表示。
1.4 传质的驱动力传质的驱动力可以通过浓度差、温度差、压力差等来实现。
在传质过程中，驱动力越大，传质速率越快。
1.5 传质的应用传质在化工工程中有着广泛的应用，例如在化学反应中，传质过程可以影响反应速率和产物浓度。
在洗涤、脱水、吸附等过程中，传质也起到重要的作用。
二、传质过程2.1 扩散传质扩散传质是指溶质在溶剂中的自由扩散过程，不需要外力的帮助。
扩散传质的速率与溶质浓度梯度成正比，与扩散距离成反比，与传质物质的性质、温度等因素有关。
2.2 对流传质对流传质是指通过溶剂的对流运动，加快溶质的扩散速率。
对流传质速率与对流速度和溶质浓度梯度成正比，与传质物质的性质、温度等因素有关。
2.3 质量传递系数质量传递系数是评价传质速率的重要参数，表示单位时间内溶质通过单位面积的传质速率。
它与溶质的性质、溶剂的性质、温度、压力等因素有关。
2.4 传质速率传质速率是指单位时间内溶质通过单位面积的传质量。
它由传质物质的性质、浓度梯度、温度、压力等因素决定。
三、传质原理3.1 扩散传质的原理扩散传质的原理是由于溶质在溶剂中的无规则热运动。
在热运动的影响下，溶质会沿着浓度梯度自行扩散，直到浓度均匀。
对流传质
对流传质摘要：在化工传质单元操作中，流体多处于运动状态，当运动着的流体与壁面之间或两个有限互溶的运动流体之间发生传质时，习惯统称为对流传质。
所谓对流传质的机理是指在传质过程中，流体以哪种方式进行传质。
研究对流传质速率需首先弄清对流传质的机理。
工程中以湍流传质最为常见，下面以流体强制湍流流过固体壁面时的传质过程为例，探讨对流传质的机理，对于有固定相界面的相际间的传质，其传质机理与之相似。
一、流体与壁面之间的对流传质流体以湍流流过可溶性固体壁面，流体与壁面之间进行对流传质。
在与壁面垂直的方向上，分为层流内层、缓冲层和湍流主体三部分，各部分的传质机理差别很大。
在层流内层中，流体沿着壁面平行流动，在与流向相垂直的方向上，只有分子的无规则热运动，故壁面与流体之间的质量传递是以分子扩散形式进行的。
在缓冲层中，流体既有沿壁面方向的层流流动，又有一些旋涡运动，故该层内的质量传递既有分子扩散，也有涡流扩散，二者的作用同样重要，必须同时考虑它们的影响。
在湍流主体中，发生强烈的旋涡运动，在此层中，虽然分子扩散与涡流扩散同时存在，但涡流扩散远远大于分子扩散，故分子扩散的影响可忽略不计。
由此可知，当湍流流体与固体壁面进行传质时，在各层内的传质机理是不同的。
在层流内层，由于仅依靠分子扩散进行传质，故其中的浓度梯度很大，浓度分布曲线很陡，为一直线，此时可用费克第一定律进行求解，求解较为方便；在湍流中心，由于旋涡进行强烈的混合，其中浓度梯度必然很小，浓度分布曲线较为平坦；而在缓冲层内，既有分子传质，又有涡流传质，其浓度梯度介于层流内层与湍流中心之间，浓度分布曲线也介于二者之间。
二、浓度边界层与对流传质系数1. 浓度边界层当流体流过固体壁面时，由于溶质组分在流体主体与壁面处的浓度不同，在与壁面垂直方向上的流体内部将建立起浓度梯度，该浓度梯度自壁面向流体主体逐渐减小。
通常将壁面附近具有较大浓度梯度的区域称为浓度边界层或传质边界层。
对流传质——精选推荐
对流传质的基本概念
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δc′以 表示。
此时，表面上的浓度梯度可表示为
⎜⎜⎝⎛
对流传质
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、质量传输类比
对流传质的基本概念
1．浓度边界层（质量边界层） 定义 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。 浓度边界层的基本特征：与热边界层类似
x ↑ δc ↑ ；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。
C f − Cw
=
−
Di
∂Ci ∂y
ΔC
y=0
对流传质的基本概念
4．对流传质系数的模型理论
薄膜理论 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-有效浓度边界层。
ki
=
∂Ci ∂y
⎟⎟⎠⎞ y=0
=
ΔC Δy
=
C f − Cw
δ
′
c
对流传质的基本概念
2．对流传质系数
( ) Ni = ki C f − Cw A mol/s
( ) ni = ki C f − Cw
mol/m2.s
C f Cw —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：
热质交换原理与设备-第三章 对流传质分析与计算
第3章 对流传质分析与计算3.1 对流传质的理论计算3.2 对流传质的类比求解3.3 对流传质的实验求解3.4 对流传质的模型分析3.5 热质传递同时进行过程分析3.1 对流传质的理论求解与对流换热相似，研究对流传质，主要目的是求解对流传质系数或计算传质通量。
对流传质的理论求解就是针对具体问题，在已知初始条件和边界条件下，通过求解边界层对流传质微分方程组，获得对流传质系数或传质通量。
3.1 对流传质的理论求解理论上：可从连续性方程、N－S方程、能量方程和对流传质微分方程，加上具体对流传质问题的初始条件和边界条件，可求解一切对流传质问题。
实际上：方程的非线性和具体对流传质问题的复杂性，很难进行理论求解（或超出了本科生数学水平），只能求解很简单的对流传质问题。
2％噪丧稳概很F 、稳概很库牛3.2 对流传质的类比求解mD D a C t St St ;Sh Nu ;Sc Pr ;;↔↔↔↔↔↔λ由传质传热因子表达式可知，只要将对流传热中的有关参数及准则数替换为对流传质的对应参量和准则数，即可由对流传热问题的解获得相应对流传质问题的解。
相关参数和准则数的对应关系为：3.3 对流传质的实验求解1％荧赠弄彝弄很多实际问题不能通过理论求解，也无相应对流传热问题的解，无法利用类比求解，此时可通过实验获得问题的解，确定关联式形式。
应注意的是，关联式表达形式通常有两种：一是以少量无量纲准则数组成的关联式，二是以综合变量组成的关联式。
两者各有优缺点。
3.3 对流传质的实验求解2％凑炮裸数A、实际传质问题的主要解决方法B、近似性、局限性和条件性C、与分析解和数值解的联系与区别D、典型问题的实验关联式：管内强制对流传质3.4 对流传质的模型分析1％框跳A、模型是什么？B、过程：问题——提出问题的数学物理模型——研究模型的解——实验验证——模型修正——实验验证——……——问题模型C、假设的重要性和关键性！A 、船罚桑垃提出过程：能斯特（1904年），惠特曼（1923年）基本论点：存在附壁薄膜，主流与膜内流体连续接触但不干扰、膜内浓度分布线性、膜内稳态过程模型的解：3.4 对流传质的模型分析2％瓶钻野寸沃伟讲玫具垃桑垃δDh m =B 、津转桑垃提出过程：希格比（1935年）基本论点：一维非稳态问题，斐克第二定律描述。
液相传质的三种方式
液相传质的三种方式液相传质是化学过程中重要的一部分，涉及到不同物质之间的扩散、吸附和反应等。
液相传质有三种方式，分别是扩散传质、对流传质和分子内传质。
1.扩散传质扩散传质指的是分子或离子在液相中由高浓度地区自发地向低浓度地区移动的过程。
这种传质方式是由于分子和离子的热运动导致的，且传递的速率取决于浓度梯度的大小、温度和分子的大小和形状等因素。
在扩散传质过程中，传输的分子或离子只能沿着溶液中的纵向方向移动，并且不能穿过界面。
此外，扩散传质的速率是与传质物质的浓度梯度成正比，且离子强度高的传递速率会变慢。
2.对流传质对流传质是指由于溶液中的物质不断迁移所形成的传质方式，主要是由于流体的运动和液相界面上的液体的扰动引起的。
对流传质的速度通常是比扩散传质更快的。
在对流传质的过程中，液体以循环的方式移动，而溶质经常被剪切或拖拽，从而导致了物质的混合和传递。
对流传质的速度不仅与液体流速成正比，也与溶质分子的扩散系数和液体的黏度成反比。
3.分子内传质分子内传质是指在溶液中，由于物质的存在，同种分子内部的扩散距离变得比较小，使得物质相互作用和反应发生在一个有限范围内。
一般来说，分子内传质是由于分子之间的吸附和解吸、单分子反应等反应导致的。
在分子内传质的过程中，溶液中会形成一个区域，其中物质的浓度比周围高，这个区域被称为反应体。
由于分子内传质的过程比较复杂，且涉及到反应动力学和化学反应的机理，因此需要采用更加精确的研究方法才能确定其传质机制和速率。
总之，液相传质是化学工程学中一个非常重要的领域，包括许多不同的传质机制。
了解不同传质方式的特点，能够帮助我们更好地理解和应用传质原理，从而更有效地进行化学工程设计和优化。
化学工程中的传质过程分析与计算方法
化学工程中的传质过程分析与计算方法传质过程是化学工程中至关重要的一部分，涉及物质从一个相态传递到另一个相态的过程。
在化学工程的设计和优化中，准确地分析和计算传质过程的速率和效率至关重要。
本文将介绍化学工程中传质过程的基本原理和常用的分析与计算方法。
一、传质过程的基本原理传质过程主要涉及物质的扩散、对流和反应等现象。
扩散是指物质分子在浓度梯度驱动下由高浓度区向低浓度区传递的过程。
对流是指由于流体的运动而导致物质传递的现象，可以进一步分为属于流体本身的动量传递和物质传递。
反应是指物质在传递过程中发生化学反应，形成新的物质。
二、传质过程的计算方法1. 扩散通量计算方法在扩散过程中，物质的传递速率可以通过计算扩散通量来确定。
扩散通量是指通过单位截面积在单位时间内传递过的物质的量。
根据菲克定律，扩散通量可以通过以下公式计算：J = -D∙∇C其中，J为扩散通量，D为扩散系数，∇C为浓度梯度。
2. 对流传质计算方法对流传质过程中，物质的传递速率与流体速度和浓度梯度有关。
常用的计算方法包括阻力和质量传递的计算，以及对流传质的计算模型（如Sherwood数、雷诺数等）。
3. 反应速率计算方法在传质过程中，物质的转化速率与化学反应有关。
根据反应动力学理论，可以利用反应速率方程来计算反应速率。
根据不同的反应类型和反应机理，反应速率方程可以采用不同的形式，如一级反应、二级反应等。
4. 多组分传质计算方法在实际应用中，传质过程往往涉及多个组分的传递。
此时，需要考虑组分之间的相互作用和竞争。
常用的计算方法包括质量守恒方程和组分平衡方程的联立求解，以及利用吉布斯自由能和互相作用系数等的方法。
三、传质过程分析与优化传质过程分析和优化是化学工程的核心任务之一。
通过合理的传质过程分析，可以确定传质速率和效率的影响因素，为优化设计提供依据。
常用的分析方法包括流体力学模拟、传质速率计算、实验测量和模型拟合等。
通过这些方法，可以准确地分析传质过程中的瓶颈和优化空间，提高工艺的效率和经济性。
对流传质
A
N A c Av Az NB cB v Bz
多组分中组分 A的扩散式： N A y A N i - cDAM y A
i 1 n
y A (N A N B ) - cDABy A
DAM ：A在混合物中的扩散系数
组分Ａ在流体总体流动中 被携带引起的摩尔通量： 称为总体流动项 由于浓度梯度引起的摩尔 通量：称为浓度梯度项
扩散系数
根据菲克定律的公式我们可以得出扩散系数的量纲
J Az - DAB
dc A dz
DAB
- J Az M 1 L2 （ 2 ） ( ) 3 dc A dz L t ( M L )(1 / L) t
扩散系数与体系的温度、压力和组分有关，相关的气体、液体和固体的扩 散系数由试验给出。通常情况下： 气体的扩散系数：5×10-6～1×105m2/s 液体的扩散系数：10-10～10-9m2/s 固体的扩散系数：10-14～1×10-10m2/s
A B
rA -rB
（v） 0 t
混合物的连续性方程
组分A的连续性方程： n A
A - rA 0 t
N A N B c Av A cB v B cV
A A v A - rA 0 t
c A cB c
1.1 分子质量传递
• 一、分子扩散 • 早在1815年，parrot定性观察到，对于有两种或两种以上的分子组
成的混合气体，只要它们的相对浓度在各点之间不同，那么一定会存 在自发过程来减少组成的不均匀性。这种与体系内部任何对流无关的 宏观质量传递称为分子扩散。 由于分子的动量传递和传导引起的能量传递都是由分子不规则运动 引起的。所以动量传递、能量传递及质量传递所依赖的一些特性参数 是相同的。在理论分析方面也有共同之处。 所以，在分子扩散中需要了解下面的一些定义与关系式： 1.菲克速率方程 传质定律描述的是扩散物质的通量和产生传质浓度梯度之间的关系 式。因为质量传递（扩散）发生在混合物中，所以在评价它时，就会 涉及到各组分之间的影响，如：某个特定组分的扩散速率相对于混合 物运动速率之间的关系。由于各组分的流动性不同，因此，混合物的 速率可用所有组分速率的平均来表示。
化学工程中的传质过程分析与计算
化学工程中的传质过程分析与计算在化学工程中，传质过程是一个关键的环节。
它涉及到物质从一个相的传输到另一个相的过程，如气相到液相、液相到固相等。
理解传质过程对于设计和优化化学工程过程具有重要意义。
本文将从传质的基本概念、传质的机制、传质过程的数学建模以及传质计算方法等方面进行分析与探讨。
一、传质的基本概念在化学工程过程中，物质传质是指通过物质的扩散、对流和反应等方式，使两相之间的组分发生变化的过程。
传质过程最常见的几种方式包括：气体和气体之间的扩散传质、气体和液体之间的气液传质、液体和液体之间的液液传质以及固体和液体之间的固液传质等。
不同的传质方式对应着不同的传质机制和计算方法。
二、传质机制1. 扩散传质：扩散传质是指物质在浓度梯度的作用下，由高浓度区向低浓度区自发性地传输的过程。
在扩散传质中，物质的传质速率与浓度梯度、物质的扩散系数以及系统的温度等因素有关。
2. 对流传质：对流传质是指通过流体的运动将物质从一个地方转移到另一个地方的过程。
对流传质的速率与流体的速度、物质的浓度以及系统的流动特性等因素有关。
3. 反应传质：反应传质是指在化学反应中，物质的传质与反应同时进行的过程。
反应传质的速率不仅受到物质的传质速率的限制，还受到反应速率的限制。
三、传质过程的数学建模为了描述传质过程中物质的传递规律，化学工程中常使用质量守恒和动量守恒以及物质传递过程的理论，建立数学模型。
传质过程的数学建模一般包括质量守恒方程、动量守恒方程和质量传递方程等。
1. 质量守恒方程：质量守恒方程描述了传质过程中物质浓度随时间和空间的变化规律。
通常表示为：∂C/∂t = -∇·(J)+R其中，C表示物质的浓度，J表示物质的传递通量，R表示源项或汇项。
2. 动量守恒方程：动量守恒方程描述了传质过程中流体速度随时间和空间的变化规律。
通常表示为：ρ(∂u/∂t+u·∇u) = -∇P+μ∇^2u+F其中，ρ表示流体的密度，u表示流体的速度，P表示压力，μ表示流体的动力粘度，F表示体积力。
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6
2018/10/7
2.3.1 概述
• 湍流传质是工业设备中常见的现象。由于湍流时质 点的脉动和涡流，过程的动量、热量和质量传递都 大大地强化了，但问题也趋于复杂。因此，对于这 一问题处理方法往往是根据微分方程式应用类比关 系，从流动摩擦的实验数据来确定对流传质的计算 关系。讨论三传（动量、热量和质量）类比及其定 量关系，它对于换热膜系数、传质膜系数难以直接 测定的某些情况具有重大意义。通过三传类比的分 析，还将有助于深入理解湍流传质的机理。
m, A hm A, s A,
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3
2018/10/7
2.3.1 概述
• 上式和牛顿冷却公式一样，只是表面传质系数的定 义式。确定表面传质系数的计算式是对流传质的主 要研究内容。本节的重点将放在讨论对流传质与对 流换热过程的类似点和不同点上，并阐明在什么条 件下可以利用比拟关系获得表面传质系数的计算式。
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2
2018/10/7
2.3.1 概述
n , A hc c A, s c A,
（2.3-1）
（2.3-2） • 式中：cA, s 、c A, s 分别为界面处组分A的物质的浓度 与质量浓度，单位分别为kmol/m3、kg/m3； cA, 、 A, 分别为主流中组分A的物质的量浓度与质 量浓度，单位分别为kmol/m3、kg/m3； hc 为表面传质系数，单位为m/s。
2.3 对流传质
2.3.1 概述 2.3.2 层流和湍流边界层及浓度边界层 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6
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传质边界层的微分方程组 边界层积分方程 对流传质实验关联式 干湿球温度计
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1
2018/10/7
2.3.1 概述
• 对流传质（又称质对流）是指当液体流经一个 相界面时与界面之间发生的质量交换。这种界 面可以是液体表面也可以是固体表面，如图2-5 所示。在对流传质过程中所传递的质量也采用 类似于牛顿冷却公式的形式来计算：
Pr a
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13
2018/10/7
2.3.2 层流和湍流边界层及浓度边界层
• 当过程同时涉及质量和热量传递时，就要用到Le数， 现在来分析一下组分A向组分B中扩散，例如溶质表 面与溶液之间的质量传递时的规律。 n , A hc c A, s c A, （2.3-5） • 在贴壁处，分子扩散应满足下列质量传递方程
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8
2018/10/7
2.3.2 层流和湍流边界层及浓度边界层
c • 在 y 0 处，流体浓度为 c A, s，而在离开壁 y 处， c 流体浓度近似等于主流体浓度 ，这一区域称 A, 为浓度边界层，或称为传质边界层及扩散边界层。 c 称为浓度边界层厚度。这样，只有在浓度边界层内 才有最显著的浓度变化，而在浓度边界层以外则可 认为浓度梯度等于零，是一个等浓度区域。
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7
2018/10/7
2.3.2 层流和湍流边界层及浓度边界层
一、浓度边界层 • 我们已经知道，由于速度在壁面附近沿法线方 向的变化出现了速度边界层，它在对流传质中 起着主要作用。同样，当流体与相界面之间有 浓度差时，由于浓度在壁面法线方向的变化， 也将会产生一个浓度变化较明显的区域，叫做 浓度边界层。浓度边界层和速度边界层、温度 边界层形状相类似，但厚度不相同，图2-5示出 了壁面法线方向流体浓度变化示意图。
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10
2018/10/7
2.3.2 层流和湍流边界层及浓度边界层
二、对流传质的准则数 • 在对动量传递和热量传递的研究过程中出现过许多 用以表征它们物理特性的无量纲准则数，如雷诺数、 欧拉数，普朗特数和努赛尔数等。相应地，在对流 传质过程中，我们也要应用一些准则数来表示传质 特性。分析质量、动量和热量传递（也称“三传”） 得知下列诸项可表现“三传”过程的特征。
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9
2018/10/7
2.3.2 层流和湍流边界层及浓度边界层
• 由此可见，由速度边界层和浓度边界层的状况决定 了边界层中质量传递过程。在层流边界层中主要靠 分子扩散来传递质量，在湍流边界层中，层流底层 中质量转移主要靠分子扩散，而在层流底层以外的 湍流区中，除分子扩散外，主要靠对流传质。
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11
2018/10/7
2.3.2 层流和湍流边界层及浓度边界层
a cp
• 动量扩散率 • 热扩散率
DAB • 质量扩散率 • 它们具有相同的单位： m 2 /s 。这三个扩散率中任意 两个之比都是无因次的，但不同组合下的比值，其 内涵是不一样的。
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5
2018/10/7
2.3.1 概述
• 显然一切支配这两种作用的因素和规律，诸如流动 状态、流速、流体物性、壁面几何参数等都会影响 对流传质过程，由此可见它是一个比较复杂的物理 现象。本节将从分析对流传质的边界层开始，通过 边界层微分方程的求解，阐述理论推导传质膜系数 的基本途径，揭示过程的机理。
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4
2018/10/7
2.3.1 概述
• 对流传质过程是由两种作用完成的。一是对流传递 作用，在对流条件下，流体质点不断运动和混和， 把物质由一处带到另一处；二是分子扩散作用，由 于流体各处存在着浓度差，质量也必然会以分子扩 散方式传递，而且浓度梯度越大的地方，分子扩散 作用也显著。传质膜系数就是这两种作用的综合强 度指示。
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2018/10/7
2.3.2 层流和湍流边界层பைடு நூலகம்浓度边界层
• 1．动量扩散率与质量扩散率之比称为施密特数 Sc ： DAB DAB （2.3-3） • 2．分子热扩散率与质量扩散率之比称为路易斯数 Le： Le c p DAB （2.3-4） • 3．动量扩散率与分子热扩散率之比称为普朗特数 Pr：