传质理论
对流传质及相间传质理论
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])
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。
板式换热器传热传质实验与理论研究
板式换热器传热传质实验与理论研究一、本文概述板式换热器作为一种高效、紧凑的热交换设备，在现代工业生产过程中扮演着重要的角色。
其独特的板片结构和优良的传热性能使其成为许多工业领域的首选设备，如石油化工、食品加工、制药以及能源等行业。
然而，随着能源利用效率要求的提高和环保法规的日益严格，对板式换热器的传热传质性能提出了更高的要求。
因此，对板式换热器的传热传质实验与理论研究显得尤为重要。
本文旨在通过对板式换热器的传热传质实验与理论研究，深入探讨其传热传质机理，优化其性能设计，提高能源利用效率，并为板式换热器的实际应用提供理论支持和技术指导。
文章首先介绍了板式换热器的基本原理和结构特点，然后详细阐述了传热传质实验的设计与实施过程，包括实验设备、实验方法和数据处理等。
在此基础上，文章进一步分析了板式换热器的传热传质性能，探讨了其影响因素和优化策略。
文章总结了板式换热器传热传质实验与理论研究的主要成果和贡献，并展望了未来的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，不仅能够加深对板式换热器传热传质过程的理解，还能为板式换热器的优化设计和实际应用提供有益的理论依据和实践指导，对于推动板式换热器技术的发展和应用具有重要意义。
二、板式换热器的基本结构和原理板式换热器，也称为板式热交换器，是一种高效、紧凑且适应性强的热交换设备。
其结构独特，由一系列薄金属板片堆叠而成，这些板片之间形成了一系列通道，用于传递热量。
板式换热器的核心部分由板片、密封垫、压紧装置和框架组成。
板片是板式换热器的核心元件，通常采用不锈钢、钛或其他耐腐蚀材料制成。
板片之间设计有波纹形状，这不仅能增加传热面积，还能提供必要的刚性，保证板片之间的间距。
密封垫则放置在相邻板片之间，以防止流体泄漏。
压紧装置通常由螺栓和螺母组成，用于将板片和密封垫紧密地压合在一起，形成一个整体。
框架则用于支撑整个换热器，确保其在工作过程中的稳定性。
板式换热器的传热原理主要基于热传导和对流。
传热和传质基本原理--传质理论 ppt课件
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（5） 温度对扩散系数的影响
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§3-6 流体和多孔介质中的扩散和扩散 系数
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多孔介质中的弥散传质 The origin of dispersion（弥散）
Physically, a non-constant advecting velocity
D f x c ~ j x u ~ ij)f jku ~ iu ~jfu ~ kc ~f
(*)
(1 C r)c ~ u ~ jf u x i jf u ~ ju ~ if( c x jfjk u ~ k c ~ f) 0
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48
Thus the last equation can be simplified as:
u j 0 x j
u ti xjuju i1 x p i xj
( u i uj) xj xi
c t xj
ujcxj
(Df xcj)
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45
Volume-averaged macroscopic GEs
u j f 0 x j
uif t
xj
ujf
uif
1pf
f xi
microscopic equations reads the spatial deviation: u~ j 0 x j
D D u ~i t xj(u ~juif u ~iu ~j)1f x ~ pi xj( x u ~ij u ~ xij)
传热与传质理论研究及应用
传热与传质理论研究及应用在工程领域具有重要意义，对于各种系统的设计与优化起着至关重要的作用。
从热力学的角度来看，传热与传质是研究物质在不同状态间传递的过程，其研究涉及到温度、压力、物质浓度等多个因素的综合考虑。
本文将从传热与传质理论的基础入手，探讨其在不同工程领域的具体应用，以及当前研究中存在的问题与挑战。
一、传热与传质理论基础传热与传质理论是热力学的基础知识之一，通过研究物质在空间内传递的方式和速率，可以对工程系统的性能进行准确评估。
传热主要包括传导、对流和辐射三种方式，而传质则包括扩散、对流和传递等机制。
这些传热与传质现象在自然界和工程领域中随处可见，为了更好地控制和利用这些现象，工程师们需要对传热与传质理论有深入的了解。
二、传热与传质理论在工程领域的应用1. 传热与传质在汽车工程中的应用在汽车发动机中，传热与传质是一个关键的问题。
通过对冷却系统的优化设计，可以提高发动机的效率和性能，减少能源的消耗。
同时，传热与传质的研究也可以帮助汽车制造商设计出更加环保和节能的汽车。
2. 传热与传质在建筑工程中的应用建筑工程中的空调系统和供暖系统都涉及到传热与传质理论的应用。
通过合理设计空调系统的传热与传质过程，可以提高建筑物的舒适度和节能效果。
在冬季保暖时，建筑的传热与传质特性也需要得到合理的考虑。
3. 传热与传质在化工工程中的应用在化工生产过程中，传热与传质是一个极其重要的环节。
通过对传热与传质过程的深入研究，可以提高化工生产的效率和产率，减少能源的消耗和物质的浪费。
同时，传热与传质的研究也可以帮助化工企业设计出更加安全和环保的生产系统。
三、传热与传质理论研究的现状及存在的问题尽管传热与传质理论在工程领域有着广泛的应用，但在实际研究中仍然存在一些问题和挑战。
其中包括传热与传质模型的建立和求解方法、实验数据的获取和验证、以及跨尺度传热与传质过程的研究等方面。
未来的研究需要进一步深入探讨这些问题，并提出相应的解决方案，以推动传热与传质理论的发展和应用。
热学中的传热传质理论分析
热学中的传热传质理论分析热学是一门研究热现象的学科，其中传热传质作为其重要的研究内容之一，增加了其实用性和实验性。
传热传质是指物质内部或物质间的热量和质量的传递过程。
它在自然界和工业领域中都起着至关重要的作用，并且研究和利用传热传质理论已经成为一门全球性的热学研究课题。
传热传质理论包括热传导、对流传热和辐射传热三种传热方式。
1. 热传导热传导是物质内部热量传递的方式，通常表现为热量从高温区域向低温区域的传递。
热传导的速度取决于物质的导热系数、温度梯度和物质的厚度。
导热系数通常是物质特性中的一项参数，其意义是物质在单位时间内单位面积厚度上传递单位温度差的热量。
热导率较高的物质相应地传热速度也较快。
2. 对流传热对流是指由于流体内部发生温度梯度而引起的物质运动，造成的热量传递现象。
其传热速度受到流体运动的影响。
如：对流传热的速度和范围偏小；其传热速度也随着流体的运动速度而加快。
对流传热的速率取决于流体温度、对流流动特征和相关物质特性等因素。
3. 辐射传热辐射传热是指热量通过电磁波形式辐射传递的现象，在大气中也被称为热辐射。
辐射传热的速度没有传导和对流那么快，但是它在介观和宏观尺度下也有显著的相关影响。
物质的温度越高，其辐射传热的数量也越多，我们在日常生活中也常常会遇到这样的例子，如阳光照射到物体表面，表面温度提高，导致内部热量分布的变化。
总的来说，传热传质理论研究促进了我们对自然界和技术领域中热的传递现象的理解和利用。
在应用领域中，我们可以利用传热传质理论来改善燃料和热能的利用效率，研究热意外的难度和危害，甚至在很小尺度的装置制造中，传热传质也扮演了重要的角色。
例如在芯片设计和制造中，通过传热传质理论，可以优化芯片的内部温度分布，提高其性能和寿命。
总结我们在常规热学课程学习中，对于传热传质的概念和原理有所了解，但是传热传质的理论内容并不仅限于此。
在不同应用领域以及不同对象材质中，其传热传质机制和率不尽相同。
传质系数和传质理论
第五节
2.溶质渗透理论
传质系数和传质理论
工业设备中进行的气液传质过程， 工业设备中进行的气液传质过程，相界面上的流体总是不断地与主流 混合而暴露出新的接触表面。希格比（Higbie） 混合而暴露出新的接触表面。希格比（Higbie）认为流体在相界面上暴 露的时间很短， 露的时间很短，溶质不可能在膜内建立起如双膜理论假设的那种稳定的 浓度分布。 浓度分布。 溶质通过分子扩散由表面不断 θ ∞ cAi 地向主体渗透， 地向主体渗透 ， 每一瞬时均有 不同的瞬时浓度分布和与之对 应的界面瞬时扩散速率（ 应的界面瞬时扩散速率 （ 与界 面上的浓度梯度成正比） 面上的浓度梯度成正比）。 流体表面暴露的时间越长， 流体表面暴露的时间越长，膜 内浓度分布曲线就越平缓， 内浓度分布曲线就越平缓 ， 界 面上溶质扩散速率随之下降。 面上溶质扩散速率随之下降。 界面 距相界面的距离 液相浓度cA
第五节
β
传质系数和传质理论
γ
Sh G = α (ReG ) (ScG )
PD (ReG )B (ScG )γ kG = α RTp Bm
适用范围: 适用范围: 湿壁塔或拉西环填料塔 ReG = 2×103~3.5×104 ScG = 0.6~2.5 P = 101~303 kPa(绝压) 模型参数: 模型参数:
θ 增加
cA0
第五节
传质系数和传质理论
直到时间为θ 直到时间为θc时，膜内流体与主流发生一次完全混合而使浓度重新均匀 后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散。 称为汽、 后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散 。 θc 称为汽 、 液接触时间或溶质渗 透时间，是溶质渗透理论的模型参数， 透时间 ， 是溶质渗透理论的模型参数 ， 气 、 液界面上的传质速率应是该 时段内的平均值。 时段内的平均值。 由该理论解析求得液相传质系数
传质系数和传质理论
U0
-─气体在填料空隙中的实际流速，u0=u/（u为空塔气速m/s）；
第五节
传质系数和传质理论
0.67
(2)计算液相传质系数的准数关联式
ReL Sh L 0.000595
液相舍伍德准数
Sc L 0.33 Ga 0.33
cSm l Sh L kL c D
PD B ReG Sc G kG RTpBm
适用范围: 湿壁塔或拉西环填料塔 ReG = 2×103~3.5×104 ScG = 0.6~2.5
P = 101~303 kPa(绝压)
模型参数:
应用场合 湿壁塔 填料塔 0.023 0.066 0.83 0.8 0.44 0.33
双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动 的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳 定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以 成立； 该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体 相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了 广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；
气 液 相界面 液相主体 气相主体 膜 膜
p pi = Ci / H Ci
pi
1
2
C
第五节
传质系数和传质理论
按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式
的结果相差较大； 由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度 1 和
2 以及界面上浓度 pi 和 Ci 都难以确定；
kL 2
c
DAB
该理论指出传质系数与扩散系数DAB的 0.5 次方成正比，比双膜理 论更加接近于实验值，表明其对传质机理分析更加接近实际。
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um x um y umz DcA 2 cA 2 cA 2 cA cA RA x 2 y 2 z 2 x y z D D
写成向量形式：
D A A u D 2 A rA D
自学【例1-2】
目录
三、质量传递的基本方式：
分为分子传质和对流传质两大类
（一）分子传质：
简称为扩散，是由于 分子的无规则热运动而 形成的传质现象。
目录
费克第一定律：
j A D AB j B D BA d A dz d B dz
1. 负号：扩散方向与梯度方向相反，即向着浓 度低的方向进行。 2.扩散系数DAB＝DBA，以后均简称为D(两组分)， 是物性数据。 3. 此定律只应用于分子传质过程。
Dc A 2 c A u m D c A RA D 目录
二、特殊情况下方程的演变：
ux u y uz D A 2 A 2 A 2 A A rA x y z D D x 2 y 2 z 2
若无化学反应发生： 稳态：
A 0
rA 0
一维方向上的传质：
A 2A u x A ux D 2 rA A x x x
目录
【例】已知某一双组分系统的传质微分方程可用 下式表示，请给出满足此方程的条件。
概念： 由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B 反方向扩散。若二者扩散的通量相等，则称之为等 分子反方向扩散。在二组分蒸馏中常遇到。
目录
扩散通量方程：
dcA N A D xA N A NB dz
对于等分子反方向扩散：
cA1>cA2
cA1
NA
N A N B
dc A N A J A D dz
流体不可压缩：
u 0 总质量浓度不变 2A 2A 2A D A rA D 2 2 2 D y z x
适用于：总浓度为常数，有分子扩散并伴有化学 反应的非稳态三维对流传质。
没有流体是真正不可压缩的，但是在工程实践中经 常做这种假设，发现引起的误差很小。 目录
展开：
u x u y u z A A A A x y z u x x u y y u z z A j Ax j Ay j Az rA 0 x z y
又
A A A A D A ux uy uz x y z D
d cA 2 D 2 kc A dz
2
（1）一维方向（z）传质； （2）稳态； （3）不可压缩流体； （4）u=0； （5）伴随二级反应发生。
自学：柱坐标表示形式及例题1-3
第二节 分子传质
2010-2-20
26
按扩散介质的不同，分为气体中的扩散、液 体中的扩散和固体中的扩散。
1.2.1 气体中的稳态扩散 （一）等分子反方向扩散：
x方向上(输出－输入) ：
A u x j Ax dxdydz x x
目录
三个方向上的(输出－输入)：
A u x A u y A u z j Ax j Ay j Az dxdydz z x y z y x
以扩散速度表示: （1）质量通量：【kg/m2 s】
j A A (u A u )
jB B u B u
(2) 摩尔通量：【kmol/m2 s】
J A c A (u A um ) J B cB u B um
目录
以主体流动速度表示: （1）质量通量：【kg/m2 s】
1 A u A A u A B u B a A (n A n B )
(2) 摩尔通量：【kmol/m2 s】
1 c A u m c A c A u A c B u B x A ( N A N B ) c
摩尔分数
a 1
i 1 i
n
nA xA n
x 1
i 1 i
n
注：一般用x表示液相，y表示气相。
两组分混合物存在：
xAMA aA ( xAMA xBMB )
xA
aA MA aA aB MA MB
目录
（3）质量比与摩尔比
设除A外其余组分为惰性组分 质量比
mA XA m mA
2010-2-20 2
1.3 对流传质
1.3.1 对流传质类型与机理 1.3.2 浓度边界层与对流传质系数 1.3.3 相际间的对流传质模型 1.3.4 对流传质问题的分析求解 1.3.5 动量、热量、质量传递之间的类比 1.3.6 对流传质系数经验公式 (不讲)
小结
2010-2-20 3
第一节 传质概论与传质微分方程
目录
实际上分子扩散的同时经常伴有主体流动，物质 主体流动 传递的通量除分子扩散通量外，还有由于主体流动形 成的通量。 d A j A A u A u D dz 费克第一 d A A u A D A u 定律的普 dz 遍形式 d A nA D a A n A nB dz dc A N A D xA N A N B dz 物理意义： 组分的实际传质通量＝分子扩散通量＋主体流动通量
目录
（二）对流传质
分子扩散仅在固体、静止或层流流动的流体 内才会单独发生。化工单元操作多发生在湍流情 况下，此时的扩散以涡流扩散为主，远远大于分 子扩散通量。
j M
e A
d A dz
J M
e A
M —— 涡流扩散系数，与流体性质无关，
与湍动强度、壁粗糙度有关。
目录
dc A dz
目录
浓度分布方程：
写出以浓度为基准的传质微分方程：
2c A 2c A Dc A 2c A D 2 2 2 D x y z R A
Au A B u B u
n n A nB A u A B u B u
(2) 摩尔通量：【kmol/m2 s】
N A c Au A N B cBu B N N A N B c A u A cB u B c u m
c Au A cB u B um c
输入流体微元的质量速率－输出流体微元的质量速率 ＋反应生成的质量速率＝微元内累积的质量速率
（输出－输入）＋（累积）－（生成）＝0
目录
各项展开：
(1)输入（x方向）：
A u x j Ax dydz
输出（x方向）：
A u x j Ax dydz Au x j Ax dydz dx x Au x j Ax Au x j Ax dx dydz x
u x u y u z D A j Ax j Ay j Az A x y z D x y z rA 0
目录
u x u y u z A x y z
D A j Ax j Ay j Az D x y z rA 0
(2) 生成：rA dxdydz
A为生成物时，rA为正；A 为反应物时，rA为负。
(3)累积： f x, y, z, A
M A A dxdydz
累积质量速率
时间
M A A dxdydz
目录
（输出－输入）＋（累积）－（生成）＝0
A u x A u y A u z j Ax j Ay j Az A rA 0 x z x y z y
目录
（2）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 物质的量。
传质通量＝传质速度×浓度
绝对 速度 主体 速度 扩散 速度 质量 浓度 摩尔 浓度
根据传质速度的表示不同而有不同的表达形式。
目录
以绝对速度表示：
（1）质量通量：【kg/m2 s】
n A Au A
nB B u B
2010-2-20
4
1.1.1 传质过程概论 一、混合物组成的表示方法：
（1）质量浓度与物质的量浓度 质量浓度
mA A V
物质的量浓度
i
i 1
N
cA
A
MA
nA cA V
c ci
i 1
n
MA：摩尔质量 目录
（2）质量分数与摩尔分数 mA 质量分数 aA m
摩尔比
aA XA 1 aA
xA XA 1 xA
目录
nA XA n nA
注：同样气相用YA
二、传质的速度与通量 （1）传质速度
设混合物为A、B两组分： 绝对速度：组分的实际流 动速度，uA、uB 主体流动速度：混合物通 过此平面的速度， U(um) 扩散速度：相对于主体流 动速度的移动速度，uA－u 说 明 以上三种均可表示传质速度 绝对速度＝主体速度＋扩散速度
A 又 j Ax D x
A j Ay D y
A j Az D z
最终得到连续性方程为：
2 A 2 A 2 A u x u y u z D A A rA x 2 y 2 z 2 D D x y z
u x u y u z D A 2 A 2A 2A A x y z x 2 y 2 z 2 D D rA
固体或停滞流体的分子扩散： u=0