对流传质及相间传质理论
化工原理三传一反
化工原理三传一反化工原理是化学工程专业的一门重要基础课程，它主要包括质量平衡、能量平衡、动量平衡和物质传递四个方面。
这四个方面相互联系、相互影响，是化学工程领域中的基础理论。
其中，物质传递是化工原理中的重要内容之一，它包括了物质的传质过程和传质原理。
本文将围绕化工原理三传一反展开讨论，以便更好地理解和掌握这一重要的理论知识。
首先，我们来谈谈物质传递中的传质过程。
传质过程是指物质在不同相之间传递的过程，常见的传质过程包括气体与气体之间的传质、气体与液体之间的传质、液体与液体之间的传质以及固体与液体之间的传质等。
在这些传质过程中，物质的扩散、对流和传质界面的质量传递是三种基本的传质方式。
扩散是指物质在浓度梯度作用下自发地从高浓度区向低浓度区传递的过程，它是传质过程中最基本的方式。
对流是指由于流体的运动而导致物质传递的过程，它在工程实践中具有重要的应用价值。
传质界面的质量传递则是指在传质过程中，物质在相界面上的传递过程，它对于界面处的传质速率有着重要的影响。
其次，我们来讨论物质传递中的传质原理。
传质原理是指在传质过程中所遵循的基本规律和理论原理，它是物质传递过程的基础。
在传质原理中，三传一反是指扩散、对流和传质界面的质量传递三种传质方式，以及反应速率与传质速率之间的关系。
这里的反应速率与传质速率之间的关系是指在化工过程中，物质的传递过程与化学反应过程相互影响、相互制约的关系。
在实际工程中，我们需要综合考虑传质过程和化学反应过程，以便更好地设计和优化化工过程。
总之，化工原理三传一反是化学工程领域中的重要理论基础，它涉及了物质传递的基本过程和原理，对于化工工程师来说具有重要的理论指导意义。
在工程实践中，我们需要充分理解和掌握化工原理三传一反的相关知识，以便更好地应用于工程设计、工艺优化和生产操作中。
希望本文能够对化工原理三传一反有所帮助，也希望读者能够在学习和工作中加以应用和实践。
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。
对流扩散与相间传质复习进程
y*)──1 Ky
பைடு நூலகம்
1 ky
m kx
NA kL(ci c) kLC(Cci Cc) kx(xi x)
Kx=mKy
──kx kLC──y* mx, yi mxi
NA
Kx(x*x)──K1x
1 mky
1 kx
以上总传质系数式仅适于平衡线服从Henry定律(直线)的情
况，如为曲线，则通常采用分传质系数和界面浓度计算。
PCE/ETP-BJTBU/ZYW
■
〓
14
本讲要点 ■ 对流扩散包括分子扩散和涡流扩散，由于流体的流动，尤
其是涡流的混合作用，大大强化了传质过程。
■ 引入有效膜模型后，虽然使对流扩散过程的数学描述得以
简化，但由于有效膜厚及界面浓度难以测定，工程计算问题并
未得到解决。
■ 实际传质过程多数为相间传质，由于相界面传递过程的复
■
〓
⑵ 总传质速率方程的分析
① 传质推动力的图示
p
NA kG ( p pi )
N
A
kL (ci
c)
p
pi ci / H
pi
A
气 膜
-kL/kG
p pi kL
c ci
kG
液膜
c
ci
由点(p,c)──已知 kL,kG─→pi,ci─→NA
PCE/ETP-BJTBU/ZYW
■
〓
9
平 衡 线 c
PCE/ETP-BJTBU/ZYW
■
〓
令1 1 1 KG HkL kG
得总传质速率方程式
NA=KG(p-p*) 同理 NA=KL(c*-c)
1 KL
H kG
三种传质理论模型
三种传质理论模型在化学和工程过程中，传质过程是一个重要的研究对象，主要涉及物质分子在不同相之间（例如气体与液体、液体与液体、气体与固体等）的转移。
为了更好的理解和描述这些过程，研究人员提出了不同的传质理论模型。
一、费克定律费克定律（Fick’s Law）是传质理论中最基本的模型之一，它描述了溶质在不同浓度下经过一个固定的距离后的扩散速率。
该定律可表示为：$$J=-D\frac{\partial c}{\partial x}$$其中，$J$为扩散通量，单位为 $\text{mol}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$；$D$为扩散系数，单位为 $\text{m}^2/\text{s}$；$c$为溶质浓度，单位为$\text{mol}/\text{m}^3$；$x$为扩散的位置，单位为 $\text{m}$。
该定律表明，扩散通量与浓度梯度成正比，与扩散距离成反比。
费克定律适用于各种扩散系统，如气体扩散、液体扩散和固体扩散等。
它的局限性在于，它忽略了溶质与溶剂之间的相互作用，也没有考虑非均匀性和复杂性。
二、斯特凡—麦尔定律斯特凡—麦尔定律（Stefan-Maxwell Law）是描述多组分流体中传质过程的理论模型，它包括了非对称和非线性的质量转移。
该定律可表示为：$$J_i=-\sum_{j\neq i}\frac{D_{ij}}{RT}c_i\nabla\mu_j$$斯特凡—麦尔定律适用于多组分气体、液体和固体的传质过程，能够反映溶剂和溶质之间的相互作用和非线性的效应。
但是，该定律也有一些局限性，如扩散系数随浓度变化很大，扩散过程中可能会发生流动等。
对流传质模型考虑了流体流动与传质之间的相互作用。
在传质过程中，流体流动会带动溶质的运动，从而影响溶质的分布、浓度、速度和扩散通量等。
对流传质模型可以表示为：其中，$v$为流体速度，$D$为扩散系数；$\rho$和$c$分别为流体的密度和溶质的浓度。
相际对流传质三大模型
相际对流传质三大模型相际对流传质是指在流体中，物质的传递既受到扩散的影响，又受到对流的影响。
为了描述相际对流传质的过程，科学家们提出了三大模型，分别是物理模型、经验模型和数学模型。
一、物理模型物理模型是基于对流和扩散机理的简化描述，它通过对流和扩散通量的叠加来描述传质过程。
在物理模型中，通量是指单位时间内通过单位面积的物质的量。
对流通量和扩散通量是同时存在的，它们的大小取决于流体的流动情况和物质的扩散性质。
对流通量是由流体的流动引起的，它与流体的速度和浓度梯度有关。
当流体速度较大时，对流通量占主导地位，物质可以很快地从一个位置传递到另一个位置。
但当流体速度较小时，对流通量较小，物质的传递主要依靠扩散。
扩散通量是由物质浓度梯度引起的，它与物质的扩散系数和浓度梯度有关。
扩散系数反映了物质在流体中扩散的能力，扩散通量随着浓度梯度的增大而增大。
当物质的浓度梯度较大时，扩散通量占主导地位，物质的传递速率较快。
物理模型的优点是简单直观，可以用来描述大多数相际对流传质过程。
但它也有一些局限性，比如无法考虑流体的非线性特性和不稳定性，以及无法准确描述复杂的流动现象。
二、经验模型经验模型是通过实验和观察得到的经验公式，用来描述相际对流传质过程。
经验模型通常是通过大量实验数据的统计分析得到的，可以用来预测传质过程中的参数和性质。
经验模型的优点是可以适用于不同的传质系统，且具有一定的普适性。
经验模型可以通过实验得到的数据进行验证，从而提高其可靠性和准确性。
但经验模型也有一些限制，比如只适用于特定的传质系统和条件，无法提供物质传递的机理解释。
三、数学模型数学模型是通过建立偏微分方程或差分方程来描述相际对流传质过程的数学模型。
数学模型是基于质量守恒定律和动量守恒定律建立的，可以用来求解传质过程中的参数和性质。
数学模型可以考虑流体的非线性特性和不稳定性，能够准确描述复杂的流动现象。
数学模型可以通过数值方法求解，得到传质过程中的详细信息。
安工大 冶金传输原理第十二章 传质
c A J1A - J 2 A .A.dx
- D AB
（23）
c A c A c A c A . A [-D AB (-D AB ).dx].A .A.dx x x x x
c A c A ( D AB ) x x
（24）
该式即为菲克第二定律，它描述了非稳态时，物质扩散传质的
浓度场，表示为：
Ci f（x，y，z，）
当组分i的浓度不是时间变化，而仅是空间的函数时，成为稳态 浓度场，即：
C i 0
Ci f（x，y，z）
④浓度梯度 表示为：
浓度梯度：在传质方向上某一组分浓度Ci随空间距离x的变化率，
C i grad C i x
（6）
⑤自扩散、互扩散、爬坡扩散
ii）多组分混合物的质量平均速度 u
u
u
i 1 n i
n
i
i
i 1
u
i 1 i
1
n
i
(m / s)
(7 )
ρi—i组分的质量浓度 ρ—混合物的质量浓度 iii）多组分混合物的mol平均速度
um
ui—i组分的绝对速度
c u
i 1 n i
n
i
c
i 1
两种成分不 同的固体
两种液体
两种气体
iii）爬坡扩散 上面说了，在浓度梯度的推动力下，物质由浓度高的区域向 低浓度区域扩散。这句话是不严谨的，因为有时会出现低浓度向 高浓度的扩散，这种扩散称为“爬坡”扩散。 例如：含Fe-Si（3.8%）-C（0.48%）和Fe-C（0.44%）两块合金 焊接在一起，如图：
1 n c i ui c i 1
对流扩散与相间传质讲解
2019/6/8
对流扩散与相间传质
2/27
JA
( D
DE
)
dcA dz
对流传质通量
在湍流主体中
DE D 在层流内层中
NA
DE RT
dpA dz
NA
D RT
dpA dz
D 较小
dpA dz
较大，DE
0
在缓冲层内
NA
D DE RT
dpA dz
溶
质p
A
在 气
pi
相
中
的
分
压
2019/6/8
气相主体
气膜 液膜
液
膜
边
液相主体
界
气
膜
边
界
相界面 传质方向
图32 2 双膜模型
对流扩散与相间传质
溶
质
A 在
液
相
ci
中 的
c
摩 尔
浓
度
6/27
双膜模型的理论要点是：
①在气-液两相接触面附近，分别存在着呈滞流流动的稳定气膜和液膜。 溶质连续稳定地通过两膜，膜的厚度随流体流动状态而变化； ②气-液两相在相界面上呈平衡状态，即相界面上不存在传质阻力。如以低浓度 气体溶解为例，则平衡关系服从Henry定律，即有 ci Hpi 或 c Hp ，其中H 为溶解度系数，单位随 c 和 p 的单位而定； ③膜层以外的气、液相主体，由于流体的充分湍动，分压或浓度均匀化，无分压 或浓度梯度。
溶质由气相主体 湍流扩散气膜边界 p 分子扩散相界面气侧 pi 无阻力溶解 相界面液侧 ci 分子扩散液膜边界 c 湍流扩散液相主体
环境工程三传原理
环境工程三传原理今天来聊聊环境工程三传原理的原理。
你知道吗？咱们日常生活里有好多现象都和环境工程中的三传原理有关。
就拿咱们煮开水来说，水开始在锅里的时候是平静的，一加热，水就慢慢滚动起来了，顶得壶盖都“啪啪”响，这其实就涉及到热量传递，也就是三传原理中的传热。
这热量啊，就从锅底下的火焰，通过锅底，一层一层地往水上传递，水温就越来越高。
传热里有好几种方式呢，像这个煮水就是典型的热传导、热对流。
打个比方啊，热传导就像接力赛，火焰把热量先递给锅底，然后锅底再把热量依次传给锅里的水，分子之间一个传给一个；热对流呢，更像是一群人在一个屋里，有的地方热一些，大家就到处乱走，互相挤来挤去的，这样热的地方的分子就和冷的地方的分子就混合起来，整个屋子（锅里的水）就热起来了。
这就要说到三传原理的第二个，传质。
咱们家里要是有个小酒柜，打开柜门有时候能闻到一股酒香。
这酒味怎么传播的呢？这其实就是传质现象。
酒里有酒精分子，这些酒精分子就像一个个调皮的小精灵，它们在酒的表面上就开始“蹦跶”，努力跑到空气里去了，然后就在空气里扩散开来，你就闻到味儿了。
从高浓度（酒里）跑到低浓度（空气里），多么像生活里那些喜欢往轻松的、广阔的地方跑的小动物啊。
那动量传递又怎么理解呢？咱们在河边走的时候，能看到河水缓缓流淌，河水在岸边的地方就流得比较慢，在河中间就流得比较快，不同层次的水之间会互相有一个带动的力量，这种流动时互相传递力量的现象就是动量传递。
简单地说，就好比一群人在跑步，前面跑得快的人对后面的人有一个拉或者推的作用（当然在流体里是这种拖拽力类似的东西），让整个队伍的速度都有一种趋向性。
有意思的是，这三传原理在环境工程里那可是相当重要。
比如说在污水处理厂里，就充分运用到这三传原理。
把污水里的有害物质去除，要通过各种各样的设备和反应池。
在反应池里，热量传递控制着反应的适宜温度，传质影响着物质交换的效率，像好氧反应需要的氧气就是靠着传质从空气里“跑到”水里的，动量传递控制着污水的流动速度和流动状态。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
J
1 S
dG dt
V S
dC dt
Ds e
(C
Ci )
dC dt
S V
Ds e
(C
Ci )
6
由于高温化学反应速率很快，可以认为反应在界面达到了平衡，即 界面浓度Ci等于平衡浓度Ce，故:
dC dt
S V
DS e
(C
Ce )
S hS
kd (C
Ce )
kd h
(C
Ce )
分离变量积分上式，并以质量百分浓度表示，得到：
相间的传质是靠着流体的体积元短暂地、重复地与
界面相接触而实现的。
1）假设
① 流体流动由微元的
C0 C
运动引起，微元短
暂、重复的与界面
C0
接触； ② 微元的寿命很短，
流体1
流体2
组分在微元中的渗
Cs
C0
C
透深度有限，即微
元与界面间的传质
C0
作为一维半无穷大
y
的非稳态传质，可用
菲可第二定律进行描述。
11
log [%S]0 [%S]e kd t
令
f
(%
S
)
log
[% S ]0 [% S ]
[[%%，SS]]并ee 以f(%S)对t作图，得[到%S一] 条[%直S线]e 。2直.0线30h的斜
率为6.67×10-4，即
kd 6.67 104
2.030h
故传质系数和有效边界层厚度分别为：
Kd=6.67×10-4×2.303×2.34=3.59×10-3cm/s
浓度Ci(mol/m3)与质量分数之间的关系为：
J kd (cs[O]) cb[O])
ci
(i)
Mi
1.12
104
[
(0.16%
0.05%) 16 103
7.1
103
)
]
5.48 102 mol /(m2 s)
16
8
皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉 、心、肺、肾等多脏器严重损害 的，全身性疾病，而且不少患者 同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表 现如下：
• 1、早期皮肌炎患者，还往往伴 有全身不适症状，如-全身肌肉酸 痛，软弱无力，上楼梯时感觉两 腿费力；举手梳理头发时，举高 手臂很吃力；抬头转头缓慢而费 力。
硫在铁液内的扩散系数Ds=2.9×10-5cm/s,渣铁界面上平衡含硫量[%S]e=0.013%，坩 埚内铁液高度h=2.34cm。试计算硫在铁液中的传质系数及有效边界层厚度。
解：设坩埚面积为S，坩埚内铁液的体积为V，在任意时刻t铁液中的含硫量为C，界 面上的含硫量为Ci，则根据对流传质速率公式，有
在冶金过程中，气——液反应、液——液反应等异相反应 相当多，前者如铜锍的吹炼、钢液的脱碳；后者如钢中锰、 硅的氧化等钢渣反应。
虽然经典的双膜理论有诸多不足之处，但在两流体间反应 过程动力学研究中，界面两侧有双重传质阻力的概念至今 仍有一定的应用价值。
10
4.2.3 渗透理论
1935年黑比（Higbie）提出溶质渗透理论该理论认为两
(
C A x
)
x0
C A C A0 eff
JA
D(
C A x
)
x0
D C A C A0 eff
D eff
(C A
CA0 ) kC
k f (v, , , d)
v —运动粘度 —密度
C
CA0 eff
—流体粘度 d —容器特征尺寸
对流传质→边界层内扩散传质
任一体系的对流传质可以简化为边界层内扩散传质来考虑。
第四章 对流传质及相间传质理论
§4.1 边界层 §4.2 相间传质理论
对流传质：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，我们就把这种 传质过程称为对流传质（convection mass transfer）。
对流传质是由于体系中化学位差和流体流动所引起 的原子、分子或流体微元的运动，它不仅包括分 子扩散，还包括由于对流引起的物质传输。
15
解：氧化期钢液脱氧反应为：
（FeO）=[Fe] + [O]
[C] + [O]=CO(g)
每个气泡的截面积为
r2 12.5cm2
表面更新的分数为12.5/(10×1)=1.25s-1
应用表面更新理论，传质系数为： kd DS 108 1.25 1.12 104m / s 氧传递的扩散流密度计算如下
若传质方向是由一个液相进入另一个气相，则各相传质的 物质流的密度J可以表示为： 液相： Jl=kl(ci-ci*) 气相： Jg=kg(pi-pi*) kl, kg——组元在液体、气体中的传质系数， ci, ci*——组元i在液体内、相界面的浓度， pi, pi*——组元i在气体内、相界面的分压。
2）列方程求解
方程
C A t
DAB2C A
初始条件：t=0，y≥0，C=C0
边界条件： 0 t te ，y=0，C=CS
y=∞，C=C0
（ te —微元寿命）
求解得，在任意时刻 t 的扩散速度
J
D
t
(C s
C0 )
12
在 te时间内平均扩散速度
J 1 te
te 0
D t (Cs C0 )dt
1
N A k ACA
N A —质量通量
k A —对流传质系数
CA —被传递物质在界面与流体内部的浓度差值
§4.1 边界层
速度边界层：
高雷诺数时，流体摩擦效应被局限于靠近物体边界的一薄层中，该层称为 速度边界层。其厚度δ被规定为由界面上的速度为零到达流速为流体速度的 ９９％的表面的距离。δ与流速、几何形状有关。
[S] + (O2-) + [C] = (S2-) + CO
实验温度为1500℃，坩埚旋转速度为10.5rad/s(使反应体系处于对流状态下）。 铁液的初始含硫量[%S]0=0.80%。在脱硫过程中测得的含硫量与时间的关系为
时间(min) 0 10 20 30 40 50
[%S](%) 0.80 0.263 0.113 0.065 0.044 0.023
2
D te
(CS
C0 )
D
kc 2 te
，
kc D
在很多情况下合乎实际， te（平均寿命）但很难知道，故不能
对
k
预估。
c
13
4.2.4 表面更新理论
1） 假设
① 微元与界面接触时间为０～∞，服从统计分布规律
② 设Ф为微元在界面上寿命分布函数，
0 t dt 1
定义：寿命为t的微元 面积占微元总面积的分数，单位： sec1
浓度边界层（扩散边界层）：
被传递物质的浓度由界面变化到为流体内部浓度的９９％时的厚度称为扩 散边界层厚度(δC)。
δC 集中了浓度差CA0-CA∞(阻力)
2
有效边界层厚度 eff
由于在浓度边界层内浓度急剧变化，且这种变化非线性，故不为常数， 在数学上难以处理，但在十分接近界面处，浓度分布为直线。
3
C A
x
§4.2 相间传质理论
4.2.1 薄膜理论
把对流传质的阻力归结与在界面上所形成的流体薄膜对传质的阻力。
(
C A y
)
y0
C0 Cs
C
JA
DA
C A y
C0
DA
(Cs
C0 )
kC
C Cs C0
，
k DA
Cs
0
eff
y
4
薄膜理论的基本特征：
假设存在着一个区域，在该区域中稳态分子扩散是传质的机 理，JA与扩散系数D的一次方成正比，并且kc=D/δ。
e
DS kd
3.9 105 3.59 103
1.09 102 cm
7
4.2.2 双膜传质理论
提出：1924年由刘易斯（W.K.Lewis）和惠特曼（W.Whitman）。 适用：两个流体相界面两侧的传质。 基本假设： （1）在两个流动相（气体/液体、蒸汽/液体、液体/液体）的相界面两
侧，都有一个边界薄膜（气膜、液膜）。物质从一个相进入另一个相 的传质阻力集中在界面两侧膜内。 （2）在界面上，物质的交换处于动态平衡。 （3）在每相的区域内，被传输的组元的物质流密度（J），对液体来说 与该组元在液体内和界面处的浓度差（Cl-Ci）成正比；对于气体来说， 与该组元在气体界面处及气体体内分压差（pi-pg）成正比。 （4）对流体1-流体2组成的体系中，两个薄膜中流体是静止不动的，不 受流体内流动状态的影响。各相中的传质是独立进行的，互不影响。
薄膜理论的缺点：
存在有一确定厚度的滞留膜的假设。但在等效边界层内仍有 液体的流动，因此不能认为在等效边界层内只存在分子扩 散，而同时存在着紊流传质和分子传质。
5
例1. 用旋转坩埚做高炉渣（39.0%CaO，40.0%SiO2，12.6%Al2O3，8.4%MgO）对铁 液做脱硫实验。熔渣脱硫反应（对碳饱和的铁液）为
③ 设S为表面更新率，即单位时间内更新的表面积占界面上总面积的 比例。
2）结论
J DS (CS C0)
kc DS
出。
kc D 但仍不能提供 的值kc，因S未知。但某些特殊情况下S可求
14
例2 电炉氧化期脱碳反应产生CO气泡。钢液中 w[O]b=0.05%, 熔体表面和炉气接触处含氧达饱和 w[O]S=0.16%, 每秒每10cm2表面溢出一个气泡，气泡 直径为4cm。已知1600℃ D[O]=1×10-8m2/S,钢液密度 为7.1×103kg/m3。求钢液中氧的传递系数及氧传递 的扩散流密度。