传输原理教案 (第14章) 传质
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传质的理论基础PPT教案学习
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2021/4/28
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组分A通过停滞组分B的扩散（单向扩散）
NA
D
dCA dz
xA(NA
NB)
NB=0
NA
D
dCA dz
xA N A
D
dCA dz
CA C
NA
分离变量，积分
NA
DC z
ln
C C A2 C C A1
NA
Dp R0Tz
ln
(p (p
pA2 ) p A1 )
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2）所用坐标系以混合物的主体流速（平均流 速）运动，而不是静止不动的坐标。
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jA
DAB
d A
dz
JA
DAB
dCA dz
分析：
1.适用于由于分子无规则热运动引起 的扩散 过程； 2.传递的速度即为扩散速度uA－u（ uA－um）； 3.只限于浓度梯度这个驱动引起的传 质； 4.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；
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21
例：气体氢放在一矩形压力容器中，其壁厚
10mm，容器内的CH2=1kmol/m3，容器外 的H2浓度可忽略。D＝0.26×10-12m2/s，求
通过容器壁的氢的摩尔通量。
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Known: CA,1, CA,2, L, D
·
Find: NA (kmol /m 2
mA AuA
(kg/m 2·s)
mB BuB
m mA mB AuA BuB u
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传输原理概要
材料加工传输原理Chapter 0 绪论1. 什么是传输过程？物质或能量从非平衡态到平衡态转移的物理过程。
动量传输：垂直于流体流动的方向上，动量由高速度区向低速度区的转移。
热量传输：热量由高温度区向低温度区的转移。
质量传输：物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。
2. 金属加工成形的分类：热态成形——金属的成形过程，是在较高温度状态下，通过高温手段，使金属成形。
冷态成形——金属在常温下，使金属成形。
如：切削、冲压、拔丝。
3. 金属热态成形的四种工艺：A铸造：液态(或固液态)金属——注入模具中——降温、凝固。
B锻压：金属加热至塑性变形抗力小，但是仍然为固体的状态，采用锻打、加压手段，而获得一定的形状的工艺方法。
C焊接：焊接是通过加热、加压，或两者并用，用或不用填充材料，使两工件产生原子间结合的加工工艺和连接方式。
D热处理：热处理就是将工件通过热处理（高温加热，冷却速度不同）达到调整材质（如基体组织发生变化，硬度发生变化）的问题，及应力削除。
4. 动量传输出现在流体中的原因：（1）流体内部不同部位的质点或集团的流动速度不一致。
（2）流动速度不一致, 导致动量分布不均匀。
继而发生动量的交换或传递过程。
（3）不同动量的流体质点和集团之间进行动量交换。
这样的动量传递，也将会影响到热量和质量的传输过程。
5．材料加工传输原理主要解决：金属在热态成形过程中经常遇到的动量传输、热量传输、质量传输的基本原理和实际应用问题。
6．传输原理课程由以下三门学科综合而成：（流体力学）、（传热学）、（传质学）。
Chapter 1 流体及其流动1. 流体概念：能够流动的物体，是一种质点间联系很小，质点在空间的相互位置很容易改变（即变形或流动）的物体。
2. 流体包括：液体和气体；另外带有固相颗粒、液相颗粒的气体；含有固相颗粒、液相颗粒、微小气泡的液体（如悬浊液、乳浊液等）。
3. 流体的特点（与固体比较）：a. 不能传递拉力，b. 可承受压力，传递压力和切力，并且在压力和切力下出现流动现象。
传质
传质方式
⎧分子扩散：静止的或层 流流动的流体中，
传质方式
⎪⎪
靠分子运动来进行传质
⎪⎨对流传质：在湍流流动 中，
的方式
⎪⎩
靠流体质点的脉动来进 行传质的方式
第二节 扩散原理（基本概念和费克(Fick)定律）
扩散：物质在单一相内的传递过程
¾ 流体中物质扩散的基本方式：
扩散方式
分子扩散
作用物
流体分子
作用方式
分气化，达到分离的目的。 增湿是将干燥的空气与液相接触，水分蒸发进入气相。
②液相一液相 在均相液体混合物中加入具有选择性的溶剂，系统形成 两个液相。
（2）流一固相间的传质过程
①气相一固相
含有水分或其它溶剂的固体，与比较干燥的热气体相接触，被加热的湿 分气化而离开固体进入气相，从而将湿分除去，这就是固体的干燥。
第三节 传质过程
1.传质过程的类型 两相间的传质过程，分为流体相间和流固相间的传质两类。 （1）流体相间的传质过程
①气相一液相 包括气体的吸收、液体的蒸馏、气体的增湿等单元操作。 气体吸收利用气体中各组分在液体溶剂中的溶解度不同，使易溶
于溶剂的物质由气相传递到液相。 液体蒸馏是依据液体中各组分的挥发性不同，使其中沸点低的组
热运动
¾ 分子扩散：
作用对象
静止、滞流
涡流扩散 流体质点 湍动和旋涡
湍流
推动力 浓度差 Ö 物质传递 简称为扩散
终点： 浓度差为〇
扩散快慢？
¾ 扩散通量：
单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，单位为kmol/(m2•s);
¾ 费克(Fick)定律：扩散通量与浓度梯度成正比。
对于组分A
JA
=
− D AB
传输原理教案 (第11章) 传质
5
第三篇 质量传输 第11章质量传输基本概念与扩散系数 §11.1传质方式、浓度、物质流
二. 浓度
（1）质量浓度 ρi （单位体积的组分质量）
表达式如下：
mi i V
(Kg/m3 )
（11-1）
其中，mi 是 i 组分的浓度， V混合物的体积。
含有 n 个组分混合物的总质量浓度：
n 1 n mi i V i 1 i 1
18
第三篇 质量传输 第11章质量传输基本概念与扩散系数 §11.4 固体中的扩散和扩散系数
推导：
设标记移动速度v，A-Au，B-Ni
A，B组元本征扩散：
x A J A DA z
xB J B DB z
质量平衡： v J A JB 0
x A xB v DA DB z z
900℃，
Au 长时间保温 Ni
Au-Ni互相扩散。Au棒变短。
表明Au向Ni中扩散比Ni向Au中 扩散得多，
即组元的本征扩散系数不相等。
互扩散系数不仅与组分浓度有关，并且与本征扩散系数有关 达肯方程：达肯对这种效应推倒导出了数学方程。
D xNi DAu x Au DNi
其中D 是互扩散系数， DAu 、DNi 是Au、Ni 的本征扩散系数。 XAu 、XNi 是Au、 Ni 的分数浓度。
从热力学的观点看，化学势是扩散传质的驱动力，这时菲 克第一定律应为：
Ji x
i ci Di Di x x
(11 19)
菲克第一定律是一个描述表观现象的宏观经验式，并不反 映扩散传质过程的微观特征。 不同的物质扩散在机理上的差别体现在扩散系数中。
15
第三篇 质量传输 第11章质量传输基本概念与扩散系数 §11.3菲克第二定律
第三篇 质量传输 第11章质量传输基本概念与扩散系数 §11.1传质方式、浓度、物质流
二. 浓度
（1）质量浓度 ρi （单位体积的组分质量）
表达式如下：
mi i V
(Kg/m3 )
（11-1）
其中，mi 是 i 组分的浓度， V混合物的体积。
含有 n 个组分混合物的总质量浓度：
n 1 n mi i V i 1 i 1
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第三篇 质量传输 第11章质量传输基本概念与扩散系数 §11.4 固体中的扩散和扩散系数
推导：
设标记移动速度v，A-Au，B-Ni
A，B组元本征扩散：
x A J A DA z
xB J B DB z
质量平衡： v J A JB 0
x A xB v DA DB z z
900℃，
Au 长时间保温 Ni
Au-Ni互相扩散。Au棒变短。
表明Au向Ni中扩散比Ni向Au中 扩散得多，
即组元的本征扩散系数不相等。
互扩散系数不仅与组分浓度有关，并且与本征扩散系数有关 达肯方程：达肯对这种效应推倒导出了数学方程。
D xNi DAu x Au DNi
其中D 是互扩散系数， DAu 、DNi 是Au、Ni 的本征扩散系数。 XAu 、XNi 是Au、 Ni 的分数浓度。
从热力学的观点看，化学势是扩散传质的驱动力，这时菲 克第一定律应为：
Ji x
i ci Di Di x x
(11 19)
菲克第一定律是一个描述表观现象的宏观经验式，并不反 映扩散传质过程的微观特征。 不同的物质扩散在机理上的差别体现在扩散系数中。
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第三篇 质量传输 第11章质量传输基本概念与扩散系数 §11.3菲克第二定律
传输原理第一讲
为什么把“三传”放在一起讲
① “三传”具有共同的物理本质——都是物理过程 动量传输：垂直于流线方向，由高速度区向低 速度区转移； 热量传输：高温区向低温区（平行于传递方向）； 质量传输：高浓度区向低浓度区（平行于传递方向）
1
② “三传”具有类似的表述方程和定律。
牛顿粘性定律
du
dy
傅里叶定律 菲克定律
二、流体的特征
流动性
8
§1.2 流体的连续介质假设
问题的引出：
微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成， 分子间存有空隙，在空间是不连续的。
宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子 距离大得多。
9
§1.2 流体的连续介质假设
一、流体的连续介质假设
定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无 数连续分布的流体微团组成的连续介质。
具有流动性的物体（即能够流动的物体）。
流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。
流体包括液体和气体
F
A
B
dudt
F
Aa
dy
d
C
Bb
D 7
§1.1 流体的定义和特征
一、流体的定义
液体与气体的区别 ➢ 液体的流动性小于气体； ➢ 液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积。
一、流体的粘性(续)
1.粘性的定义(续) (2) 流体粘性表现在： ➢ 流体运动时，内部各流体微团之间会产生粘性 力，由此在流体中产生速度梯度；
➢流体运动时，流体附着在壁面上，此处速度为零 （无滑移边界条件）。
23
§1.6 流体的粘性
一、流体的粘性(续)
2.牛顿内摩擦定律（或粘性定律） (1) 牛顿平板实验
① “三传”具有共同的物理本质——都是物理过程 动量传输：垂直于流线方向，由高速度区向低 速度区转移； 热量传输：高温区向低温区（平行于传递方向）； 质量传输：高浓度区向低浓度区（平行于传递方向）
1
② “三传”具有类似的表述方程和定律。
牛顿粘性定律
du
dy
傅里叶定律 菲克定律
二、流体的特征
流动性
8
§1.2 流体的连续介质假设
问题的引出：
微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成， 分子间存有空隙，在空间是不连续的。
宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子 距离大得多。
9
§1.2 流体的连续介质假设
一、流体的连续介质假设
定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无 数连续分布的流体微团组成的连续介质。
具有流动性的物体（即能够流动的物体）。
流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。
流体包括液体和气体
F
A
B
dudt
F
Aa
dy
d
C
Bb
D 7
§1.1 流体的定义和特征
一、流体的定义
液体与气体的区别 ➢ 液体的流动性小于气体； ➢ 液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积。
一、流体的粘性(续)
1.粘性的定义(续) (2) 流体粘性表现在： ➢ 流体运动时，内部各流体微团之间会产生粘性 力，由此在流体中产生速度梯度；
➢流体运动时，流体附着在壁面上，此处速度为零 （无滑移边界条件）。
23
§1.6 流体的粘性
一、流体的粘性(续)
2.牛顿内摩擦定律（或粘性定律） (1) 牛顿平板实验
传递过程原理 电子教案
ρux+dρux
ρ ux
dy dx x z
积累的质量速率为dM/dθ，即为dρdV/dθ,或写成下式： 根据质量守恒定律可知：
dxdydz
( u y ) ( u x ) ( u z ) dxdydz dxdydz dxdydz dxdydz x y z ( u x ) ( u y ) ( u z ) 0 x y z
p pb pc
当工质的绝对压力低于大气压力时，测压仪表指示的读数称为真 空度，用 pv 表示.
p pb pv
第一章 传递过程概论
第一节 流体流动导论
一、静止流体的特性 流体平衡微分方程
质量力：质量力也称体积力，流体的每一质 点均受这种力的作用。用 FB 表示，单位 流体质量所受的质量力用， fB 表示， fB 在三个坐标轴上的投影分量分别以 X 、 Y 、p Z表示。 表面力：是流体微元与其相邻流体作用所产 生。如压力、摩擦力、粘性力。表面力 用FS表示。 微元体的受力分析(以x方向为例)： 质量力 dF Xm Xdxdydz 表面力
二、流体流动的基本概念 流速 dx dy
d
;
uz
dz d
流率：单位时间内流体通过流动截面的量。
体积流率： dVs
ux dA
Vs ux dA
A
(1 12)
质量流率： w Vs ux dA 主体平均流速：
单位面积上的流率
(1 13)
Vs 1 ub u x dA A A A
p p p dx dy dz ( Xdx Ydy Zdz) x y z
dp ρZdz -gdz dp -gdz p p0 ρgh
ρ ux
dy dx x z
积累的质量速率为dM/dθ，即为dρdV/dθ,或写成下式： 根据质量守恒定律可知：
dxdydz
( u y ) ( u x ) ( u z ) dxdydz dxdydz dxdydz dxdydz x y z ( u x ) ( u y ) ( u z ) 0 x y z
p pb pc
当工质的绝对压力低于大气压力时，测压仪表指示的读数称为真 空度，用 pv 表示.
p pb pv
第一章 传递过程概论
第一节 流体流动导论
一、静止流体的特性 流体平衡微分方程
质量力：质量力也称体积力，流体的每一质 点均受这种力的作用。用 FB 表示，单位 流体质量所受的质量力用， fB 表示， fB 在三个坐标轴上的投影分量分别以 X 、 Y 、p Z表示。 表面力：是流体微元与其相邻流体作用所产 生。如压力、摩擦力、粘性力。表面力 用FS表示。 微元体的受力分析(以x方向为例)： 质量力 dF Xm Xdxdydz 表面力
二、流体流动的基本概念 流速 dx dy
d
;
uz
dz d
流率：单位时间内流体通过流动截面的量。
体积流率： dVs
ux dA
Vs ux dA
A
(1 12)
质量流率： w Vs ux dA 主体平均流速：
单位面积上的流率
(1 13)
Vs 1 ub u x dA A A A
p p p dx dy dz ( Xdx Ydy Zdz) x y z
dp ρZdz -gdz dp -gdz p p0 ρgh
传质原理及应用 ppt课件
16
固定截面上包括运动的分子对称面，则有：JA=-JB N总体流动通量，由两部分组成
N CA N CB N CC
总体流动中携 带的组分A
总体流动中携 带的组分B
PPT课件
17
在截面F与两相界面间做物料衡算
对组分A：
JA
CA C
N
NA
对组分B：
CB C
N
JB
1’
1
pA1
JA N JB
力相当的de厚的层流膜(虚拟膜、当量膜、有效膜) 内，
对流传质的作用就折合成了相当于物质通过de距离的分子
扩散过程，这种简化处理的P理PT课件论称为膜模型。
28
（2）对流传质速率方程
对于气相
NA
DG
RTdG
P pBm
pA1 pA2
令： kG
DG
RTdG
P pBm
对于液相
NA
PPT课件
7
一、分子扩散
1、分子扩散概述与费克定律
PPT课件
8
PPT课件
9
分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在 浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较 高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。
分子运动论：随机运动,道路曲折,碰撞频繁 扩散速 率很慢
(1)费克定律 a.扩散通量：
kL 2
DL
渗透模型参数，是气液相每次接触的时间
PPT课件
33
溶质渗透理论比膜模型理论更符合实际，指明 缩短τ可提高液膜传质系数。故，增加液相的湍动程 度、增加液相的表面积均为强化传质的途径。
质量传输之传质原理-费克定律和斯蒂芬定律
应用相似理论时首先建立描述该现象的 微分方程式，接着求出相似准数，然后在相 似理论的指导下进行实验并整理数据，这样 就可能用少数实验得到的数据找出现象的普 遍规律。
1.4 对流传质微分方程式及对流传质相似
1.4.1对流传质微分方程式
C
ux
C x
uy
C y
uz
C z
0.625
1
1
Sh 0.664 Re1/2 Sc1/3 0.664 206002 0.6253 81.47
aD
Sh
D l
81.47
0.241 10
1.963cm /
s
70.68m /
h
15℃时，pA1=1708Pa，而pA2=750Pa
g A＝aD
MA RT
(PA1
dpA dx
或g A
DAB
dCA dx
gB
M B DBA RT
dpB dx
或gB
DBA
dCB dx
（*）
上面两式两边分别除以相对应的分子
量，得各组分的扩散摩尔质流量：
NA
DAB RT
dpA dx
NB
DBA RT
dpB dx
根据道尔顿定律，得 dpA dpB dx dx
在稳定情况下，NA=－NB(等摩尔逆扩散过程)，
（或称传质的普朗特准数Pr’）
的扩散系数，m2/h；
Sc Pe ' ul v v Re D ul D D
♣ 宣乌特准数 （或称对流传质的努赛特准数Nu’）
u--流体的流速，m/s； l--定形尺寸，m； aD--对流传质系数，m/h
1.4 对流传质微分方程式及对流传质相似
1.4.1对流传质微分方程式
C
ux
C x
uy
C y
uz
C z
0.625
1
1
Sh 0.664 Re1/2 Sc1/3 0.664 206002 0.6253 81.47
aD
Sh
D l
81.47
0.241 10
1.963cm /
s
70.68m /
h
15℃时，pA1=1708Pa，而pA2=750Pa
g A＝aD
MA RT
(PA1
dpA dx
或g A
DAB
dCA dx
gB
M B DBA RT
dpB dx
或gB
DBA
dCB dx
（*）
上面两式两边分别除以相对应的分子
量，得各组分的扩散摩尔质流量：
NA
DAB RT
dpA dx
NB
DBA RT
dpB dx
根据道尔顿定律，得 dpA dpB dx dx
在稳定情况下，NA=－NB(等摩尔逆扩散过程)，
（或称传质的普朗特准数Pr’）
的扩散系数，m2/h；
Sc Pe ' ul v v Re D ul D D
♣ 宣乌特准数 （或称对流传质的努赛特准数Nu’）
u--流体的流速，m/s； l--定形尺寸，m； aD--对流传质系数，m/h
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4 相间传质
2. 相间传质例子： 钢件渗碳 （气相----固相间的传质） 金属液吹气精炼 （气相----液相间的传质） 3. 全面的相间传质（又名：贯通传质过程）包括3个步骤： A：物质在某一相内从主体传到界面。 B：跨过界面传到第二相。 C：继续传到第二相的主体。
2
第三篇 质量传输
第三篇 质量传输
第14章 相间传质
第十四章 相间传质
p306
1. 相间传质概念： 金属热态成形过程中， 许多传质现象是在不同相间进行。 溶质从一个相转移到另一个相称为相间传质或两相间的传 质。
吸收过程的相间传质是由气相与界面间的对流传质、界面 上溶质组分的溶解、液相与界面间的对流传质三个过程串 联而成。
第14章 相间传质
14.1 双重阻力传质理论（双膜理论）（p306）
解决吸收过程相间传质速率问题目前是用双膜模型。
3
第三篇 质量传输
第14章 相间传质
双膜模型
双膜模型的要点如下： ①在相互接触的气液两相间存在着稳定的相界面， 界面两侧分别存在着一个很薄的有效层流气膜和液 膜，被吸收的溶质组分只能以分子扩散的方式通过 这两层膜，气相和液相的浓度变化（即推动力）及 阻力均分别集中在这两层膜中。 ②相界面上不存在传质阻力，所需传质推动力等零 ，即在界面上气、液两相浓度成平衡。