传热与传质第六章
第六章质量传输基本概念和传质微分方程6－1 概述
传质的定义
物质由高浓度向低浓度方向转移的过程，即在混合物中由于存在组分的浓度差而引起的相对运动。
传质的基本方式
Ⅰ.分子（扩散）传质：类似于导热，传导传质
在固体内部或静止的流体中，或者在垂直于浓度梯度方向作层流流动的流体中，由于微观分子运动所引起的质量转移。
Ⅱ.对流传质：类似于对流换热
在运动流体与固体壁面之间，或互不相溶的两种运动流体之间依靠分子扩散和质量对流联合作用而引起的质量传递。
第六章质量传输基本概念和传质微分方程
6－2 浓度、速度、扩散通量密度、扩散系数
浓度
Ⅰ. 质量浓度ρ
i
单位体积的混合物中组分i的质量，kg/m3
Ⅱ. 物质的量浓度（摩尔浓度）c
i
单位体积的混合物中组分i的摩尔数，mol/m3
Ⅲ. 分压力p
i
气体混合物中当组分i处在与气体混合物相同
的温度下，其单独占据气体混合物容积时所形
成的压力。
6－2 浓度、速度、扩散通量密度、扩散系数
速度
Ⅲ. 以摩尔平均速度v m 为参考标准
v A -v m : 相对于摩尔平均速度的组分A 的扩散速度v B -v m : 相对于摩尔平均速度的组分B 的扩散速度通量密度
等于组分的速度与其浓度的乘积;
矢量，与速度方向一致，大小等于在垂直于速度方向的单位面积上、单位时间内通过的该组分的物质量。
本章小结
质量传输的定义及分类；
浓度、速度、扩散通量密度的表达式及其之
间的关系；
菲克第一定律的四种表达式及适用情况；
质量传输微分方程的推导，以及几种不同的
形式；
质量传输的定解条件。
习题：p195, 1、2。
化工原理重要的章节总结
化工原理重要的章节总结化工原理是化学工程专业的基础课程，涉及到化学工程的核心理论和基本原理。
在化工原理的学习过程中，存在一些重要的章节需要着重掌握。
下面将对其中几个重要的章节进行总结。
第一章：化工原理的基本概念与原理这一章主要介绍了化工原理的基本概念和基本原理，包括物质的组成与性质、质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律等。
这些概念和原理是后续章节的基础，需要牢固掌握。
第二章：化学反应平衡与热力学这一章主要介绍了化学反应的平衡和热力学，包括化学平衡常数、反应速率、化学反应的热力学过程等。
化学反应平衡和热力学是化工过程中最基本的原理，对于了解和研究化学反应的平衡性和动力学过程具有重要意义。
第三章：物料平衡物料平衡是化工工程中最基本也是最重要的概念之一。
这一章主要介绍了物料平衡的基本原理和方法，包括质量平衡、组成平衡和能量平衡等。
物料平衡是解决化工过程中物质流动和转化问题的基础，对化工工程师来说至关重要。
第四章：能量平衡能量平衡是化工过程中的关键，也是核心。
这一章主要介绍了能量平衡的基本原理和方法，包括热力学原理、能量转化和传递等。
能量平衡是解决化工工程中能量转化和传递问题的重要手段，对于优化化工过程、提高能量利用率具有重要意义。
第五章：流体静力学与运动学这一章主要介绍了流体在静态和动态条件下的性质和运动规律。
包括流体静力学的基本原理、质量流动和能量流动控制方程、雷诺运动和黏性流体动力学等。
流体静力学和运动学是化工工程中设计和分析流体传输过程的基本方法和工具。
第六章：传热与传质传热和传质是化工过程中重要的能量转移和质量转移方式。
这一章主要介绍了传热和传质的基本原理和机制，包括传热和传质的基本方程、传热和传质的传递方式和速率、传热和传质过程的分析和计算方法等。
传热和传质是化工过程中热力学和动力学过程的核心内容，对于掌握化工过程热力学和动力学规律具有重要意义。
以上是化工原理重要的几个章节的总结。
这些章节涉及到化工过程的核心理论和基本原理，对于理解和分析化工过程、解决实际问题具有重要的指导作用。
第6章 化工原理传热1
第六章
传热
第二节 热传导 热传导是起因于物体内部分子微观运动的一种传热方式 。热传导的机理相当复杂，目前还了解得很不完全。简而言 之，固体内部的热传导是由于相邻分子在碰撞时传递振动能 的结果。 在流体特别是气体中，除上述原因以外，连续而不规则 的分子运动（这种分子运动不会引起流体的宏观流动）更是 导致热传导的重要原因。 此外，热传导也可因物体内部自由电子的转移而发生。 金属的导热能力很强，其原因就在于此。
T1
T2
t2
套管式
传热（或换热）过程： 是指在冷、热流体之间进 行的热量传递总过程。 给热过程：（对流传热过程） 是指热、冷流体与壁面之 间的热量传递过程。
第六章
传热
3、 蓄热式传热 蓄热式换热器又称蓄热器，是由热容量较大的蓄热室构成，室 内可填充耐火砖等各种填料。 一般说来，这种传热方式只适用于气体介质，对于液体 会有一层液膜粘附在固体表面上，从而造成冷热流体之间的少 量掺混。实际上，即使是气体介质，这种微量掺混也不可能完 全避免。如果这种微量掺混也是不允许的话，便不能采用这种 传热方式。这种传热方式只适用于气体的另一原因，是气体的 体积比热容较填充物小得多，液体则不然。
各种物质的λ可用实验方法测定，P388 附录六给出了常用固体材 料的导热系数。从表中所列数据可以看出，各类固体材料导热系数 的数量级为： O 金属 10—102 W/（m·C） O 建筑材料 10-1 —10 W/（m·C） O 绝热材料 10-2 — 10-1 W/（m·C）
第六章
传热
固体材料的导热系数随温度而变，绝大多数质地均匀的固体，导 热系数与温度近似成线性关系，可用下式表示： 式中：λ—固体在t OC 时的导热系数W/（m OC）； λ0—固体在0 OC 时的导热系数W/（m OC）； α—温度系数 1/OC 对于大多数金属材料和液体：α为负值 α< 0 提高温度 λ略减小。 对于大多数非金属材料和气体：α为正值 α> 0 提高温度 λ增大。 金属材料和非金属材料的λ随温度的不同变化趋势是因为它们的导 热机理不同而引起的。前者主要靠自由电子在晶格之间的定向运动导 热，而后者主要靠原子、分子在其平衡位置附近的振动导热。
第六章气固流态化基础(2024)
类型与结构
根据反应类型和需求，流化床反应器可分为多种类型，如固定床反应器、移动床反应器和 循环流化床反应器等。其结构通常包括反应器主体、气体分布器、固体颗粒循环系统和控 制系统等。
通过气体或液体以一定速度穿过 固体颗粒层，使颗粒之间产生相 互作用和能量传递，从而实现流 态化。
2024/1/29
5
气固流态化的重要性
与传统的间歇式生产方式相比， 气固流态化技术可降低能耗和生 产成本。
气固流态化技术不仅应用于化工 、冶金等领域，还可拓展到环保 、新能源等领域。
2024/1/29
提高生产效率 降低能耗
在气固流态化系统中，通过设置合适的分离 装置，可实现气体和固体颗粒的有效分离， 以满足不同工艺需求。
2024/1/29
催化剂再生
在石油化工等领域中，催化剂的再生是一个重要环 节。利用流态化技术可实现催化剂的高效再生和循 环利用。
粉体输送
利用气固流态化的原理，可实现粉体物料的 高效输送和分配，广泛应用于化工、冶金等 领域。
颗粒粘结
某些物料在流化床内可能发生粘结现象，形 成团聚体或结块。粘结可能导致床层塌落、 沟流以及传热和传质效率下降等问题。
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气体分布不均与沟流现象
气体分布不均
在气固流态化过程中，气体的不均匀分布是 一个常见问题。气体分布不均可能导致床层 内的温度和浓度梯度增大，从而影响产品质 量和收率。
强化传质方法
强化传质的方法包括增加气体流速、减小固体颗粒粒径、提高床层温度和压力等。此外 ，采用催化剂或添加反应促进剂等方法也可以提高传质效率。同时，优化流化床结构和
化工原理课件第6章：传热
化工原理——传热
6.2.4 多层壁的定态导热
例 6-2
Q n
t1 tn1 1 l n ri1
i1 2Li ri
化工原理——传热
化工原理——传热
接触热阻
1
c A
c ：接触系数，W/(m2 ℃）
化工原理——传热
6.3 对流给热
6.3.1 概说 1 对流给热过程的分类
（1）T1、T2、t1、t2均确定时，△tm逆＞△tm并
（2）若Q相同，依 Q KAtm ，A逆＜A并 （3）Q一定时，依 Q qm1cp1(T1 T2 ) qm2cp2(t2 t1)
若T1、T2确定，则（t2－t1）逆＞ （t2－t1）并
∴
qm2逆＜qm2并
化工原理——传热
逆流
并流
化工原理——传热
（3）蒸汽过热的影响 r' r cp(TV Ts )
（4）蒸汽流速及流向的影响 强化思路 → 减少液膜厚度
化工原理——传热
化工原理——传热
a、r、d 的大小取决于物体的性质、表面状况、 温度和投射辐射的波长，一般
固体、液体：a+r =1
气体：a+d =1
化工原理——传热
物体的辐射能力：指物体在一定温度下，单位时间、单位表面积 上所发出的全部波长的总能量。（E）W/m2
化工原理——传热
化工原理——传热
另一表达式： 灰体在一定温度下的辐 射能力和吸收率的比值， 恒等于同温度下黑体的 辐射能力，即只和物体 的绝对温度有关。
化工原理——传热
相距很近的平行黑体平板，面 积相等且足够大，则 12 21 1
化工原理——传热
【化工原理复习笔记】第六章 蒸馏
蒸馏⏹双组分溶液的气液相平衡拉乌尔定律由溶剂与溶质组成的稀溶液，在一定温度下汽液两相达到平衡时p A=p A o x Ap A：溶剂在汽相中的蒸气分压，kPap A∗：同温度下纯溶剂A的饱和蒸气压，kPax A：溶剂A在液相中的组成（摩尔分数）对于组分Bp B=p B∗x B=p B∗(1−x A)理想溶液的t−y−x关系式➢温度(泡点) — 液相组成关系式x=p−p B∗p A∗−p B∗x：液相中易挥发组分的摩尔分数p：总压，kPap A∗、p B∗：溶液温度t时，纯组分A、B的饱和蒸气压，kPa ➢恒压下t−y−x关系式y=p A∗x p若已知汽液相平衡温度t下的液相组成x，用上式就可求出与x平衡的汽相组成y ➢温度(露点) — 汽相组成关系式将上面两式合并y=p A∗p×p−p B∗p A∗−p B∗双组分理想溶液的汽液两相达到平衡时，总压p、温度t、汽相组成y及液相组成x的4个变量中，只要决定了两个变量的数值，其他两个变量的数值就被决定了。
相对挥发度与理想溶液的y−x关系式挥发度v挥发度是用来表示物质挥发能力大小的物理量，前面已提到纯组分液体的饱和蒸气压能反映其挥发能力。
理想溶液中各组分的挥发能力因不受其他组分存在的影响，仍可用各组分纯态时的饱和蒸气压表示，即挥发度v等于饱和蒸气压p∘v A=p A ov B=p B o相对挥发度α溶液中两组分挥发度之比称为相对挥发度αa=v Av B=p A op B o对于理想溶液，在操作温度范围内，取最低温度的α值与最高温度的α值之几何平均值理想溶液的汽液相平衡方程式非理想溶液汽液相平衡非理想溶液中各组分的蒸气分压不服从拉乌尔定律，他们对拉乌尔定律发生的偏差有正偏差与负偏差两大类。
实际溶液中，正偏差的溶液比负偏差者多蒸馏与精馏原理简单蒸馏与平衡蒸馏简单蒸馏：只适用于混合液中各组分的挥发度相差较大，而分离要求不高的情况，或者作为初步加工，粗略分离多组分混合液平衡蒸馏：为稳定连续过程，生产能力大。
第六章 搅拌聚合釜的传热与传质
t c = t R - ∆t p = 50 - 45.5 = 4.5 C
o
第四节 搅拌釜内的传质过程
固相-液相发生的传质过程：
N = K L a(CS − CL )
N u' （谢尔乌特准数N ）： （1）扩散努塞尔准数 sh
KLD N u ' = N sh = DAB
N = K G ( PA − PA1 ) = K L (C A1 − C AL )
1 PA N= 1 + H + Ha KG K L K1
无限慢反应
由于反应速度极慢，属于动力学控制，可以不考虑传 质对聚合反应的影响，只需将与气相压力P相平衡的浓度 C代入化学动力学方程式即可计算伴有相间传递过程的聚 合速率。
拟一级反应的分类
快速反应
单位面积液膜内的最大反应速率大于纯物理传质速率的 2～3倍，这时主要受扩散控制。其传质速率式为：
传质速率
N=
(K1D )C A1
反应物的界面浓度
反应速率常数 扩散系数
中速反应 慢速反应
此时反应甚慢，反应对传质系数的影响可以忽略，反应 基本上在液相本体内进行。传质的气膜与液膜阻力和液 相本体的化学反应阻力起串联阻力作用：
ρc
ρ c D AB
液液体系
1 1 1 = + KV kd m' k c
分散相传质膜系数 连续相传质膜系数
两相溶质的平衡常数
液固体系
KT r s = AN Re ⋅ N sc D AB
伴有相间传质的聚合反应
相 界 面
传递阻力＋ 传递阻力＋化学反应阻力
传质速率远小于聚合反应速 率时，实际反应速率完全取 决于传递过程速率。
传热和传质基本原理 第六章 燃料电池中的传热传质
12
AFC电池结构
电解质保持在多孔体中的基体型。基体主要是石棉膜， 它饱吸KOH溶液。电池成多孔叠层结构。 自由电解质型。电解质是自由流体，电池设有电解质 循环系统，可以在电池外部冷却电解质和排出水分。 电极以电解液保持室隔板的形式粘结在塑料制成的电 池框架上，然后再加上镍隔板做成的双极板，构成单 电池。
32
图6－19 典型的PEMFC系统示意图
33
直接甲醇燃料电池（DMFC）
Gasket 直接甲醇燃料电池的全称应为直 MEA 接甲醇质子交换膜燃料电池，其 工作原理与常规的以氢为燃料的 质子交换膜燃料电池基本相同， 不同之处在于DMFC的燃料为甲醇 （可以是气态或液态，但主要是 液态），氧化剂仍是氧或空气。
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碱性燃料电池（AFC）
AFC的工作原理：基本上是水电解的逆过程。它以氢氧化 钾（KOH）水溶液为电解质，溶液的质量分数一般为30 ％～45％，最高可达80％。 AFC燃料电池的电化学反应为
阳极反应 阴极反应
整个电池反应
2 H 2 4OH 4 H 2 O 4e O2 2 H 2 O 4e 4OH 2H 2 O2 2H 2 O 电能 热能
13
1－氧支撑板 2－氧蜂窝（气室） 3－氧电极 6－氢蜂窝（气室） 7－氢支撑板 8－排水膜 －除水蜂窝（蒸发室） 11－除水蜂窝板
4－石棉膜 5－氢电极 9－排水膜支撑板 10
图6－5 静态排水的氢氧隔膜型燃料电池单体示意图（基本型）
14
图6－6 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）
15
图6－7 培根AFC电池系统
图6－8 磷酸型燃料电池的基本构造
18
固体氧化物燃料电池（SOFC）
化工原理-第六章-传热.
化工原理-第六章-传热一、填空题：1. 工业上冷热流体间的传热方式有______________、_____________、____________。
答案：间壁式蓄热式直接混合式2. 热量传递的方式主要有三种: ___________、_____________、_____________。
答案：热传导热对流热辐射3. 传导传热的傅立叶定律表达式为____________，其符号各代表__________________,__________________ 和____________________。
答案：ｄQ/ｄτ＝－λAｄt/ｄδ,ｄQ/ｄτ表示单位时间传递的热量,－表示温度向降低方向传递,A表示传热面积,λ表示导然系数和ｄt/ｄδ表示温度梯度。
4. 影响给热系数α的因素有_____________________________________。
答案：流体种类、流体性质、流体流动状态和传热壁面的几何尺寸5. 由多层等厚度平壁构成的传热壁面, 若某层所用材料的导热系数越大，则该壁面的热阻就越_______,其两侧的温度差越______。
答案：小小6. 定态导热是指______________________________不随时间而改变。
答案：传热系统中各点的温度仅随位置变7. 影响传导传热系数的因素有___________________________________。
答案：物质种类和组成,物质的内部结构和物理状态、温度、湿度、压强等8. 牛顿冷却定律公式为________________, 其符号各代表__________________、_________________和__________________。
答案：Q＝αA（T－t w）, Q表示传热速度、α表示传热系数、A表示对流传热面积、T表示热流体主体平均温度和t w表示为低温流体壁面温度。
9. 在包有二层相同厚度但导热系数不同的保温材料的圆形管道上，应该将______________材料放在内层，道理是______________，______________。
第6章气固、液固传质分离过程
II型 和 IV型 等温线
nad
II
B p/p0
IV
B p/p0
多层吸附 (从点 B开始) 对无孔材料比较适用
在低压下类似于 II 型 在高压下发生孔内冷凝
第6章气固、液固传质分离过程
nad
III型 和 V型 等温线
nad
III p/p0
V p/p0
吸附质之间具有强相互 作用, 比如当水分子吸附 到疏水性活性炭上时
(2) Langmuir-Freundlich方程的扩展式
Langmuir方程扩展式和Langmuir-Freundlich方程 的扩展式缺乏热力学一致性，故理论依据不充分， 只具有半经验性质，但应用起来比较简便。
第6章气固、液固传质分离过程
吸附过程的传质
一、 吸附机理
吸附质在吸附剂的多孔表面上的吸附过程分四步：
第六章 气固、液固传质分离过程
主要内容及要求：
1.学习并掌握吸附的基本原理、吸附平衡、吸 附动力学、吸附过程及设备。
2.结晶过程的热力学和动力学基础，吸附、结 晶设备及流程。
3.了解膜分离的基本原理、过程分类、膜和膜 组件的类型以及膜分离技术的应用。
第6章气固、液固传质分离过程
6.1 吸附分离过程 6.1.1 吸附过程基础 6.1.2 吸附分离过程与技术
（3）物理吸附的吸附质分子可通过降低压力的方法 解吸，而化学吸附的吸附质分子的解吸要困难得多， 往往是不可逆的；
（4）物理吸附可以是单分子层吸附也可以是多分子 层吸附，而化学吸附通常只是单分子层吸附，某些情 况下，化学吸附单分子层上还可能发生物理吸附；
（5）物理吸附瞬时发生，而化学吸附一般需要达到 一定的活化能后才发生。
吸附平衡关系通常用等温下吸附剂上吸 附质的含量与流体相中吸附质的浓度或分压 间的关系表示（吸附等温线）。
第六章传质基本概念ppt课件
n
c ci
i 1
c n p V RT
piV＝niRT
摩尔分数：
固体和液体：xA=cA/c
气体：
yA=cA/c
n
xi 1
i1
yA=pA/p n
yi 1
i1
例题10-1
• 温度为25℃和压力为10５Ｎ/m２的干空气主 要由下列两种组分组成：yO2＝0.21；yN2＝ 0.79。氧的摩尔质量为0.032kg/mol，氮的 摩尔质量为0.028kg/mol 。试确定:(1)氧和 氮的质量分数，(2)干空气的平均分子量。
§10-2 分子扩散概念
• 在静止的系统中， 由于浓度梯度而产 生的质量传递称为
分子扩散。
一、分子扩散速度和通量 1.分子扩散速度
混合气体中 存在浓度梯度
分子 扩散
破坏压 力平衡
气体的 整体移动
在扩散过程中要产生混合气体的整体流动
• 整体流动速度
• 混合气体的整体流动速度等于混合气体中
各组成气体速度的平均值 • 整体流动的质量平均速度 :
第二篇
传质学 Mass Transfer
• 简介
传质是指在两种或两种以上的组元构 成的混合物系中，如果其中各处浓度不同 (存在浓度差)时，则必发生减少浓度不均匀 性的过程，各组元将由浓度大的地方向浓 度小的地方迁移，即质量传递现象。
第十章 传质的基本概念
§10-1 传质的基本原理 §10-2 分子扩散概念 §10-3 对流传质
pTV
pTV
pTV
分压力pi
• 分压力(pi) : 在与混合物相同的温度的情况下, 每一种组成
气体都独自占据混合物相同的体积时,组成气体的压力
分压力pi