北航材料传输原理质量传输4

如 所以氮在液体金属中的平衡浓度为 则平衡常数
一、受液相传质控制—液膜控制总速率 液膜控制传质的特点是无化学反应阻力，且无气膜传 质阻力：
二、受气相传质控制一气膜控制总速率 气膜控制传质的特点是无化学反应阻力且无液膜传质 阻力：
三、受界面化学反应控制——界面化学反应控制总速率 界面化学反应控制传质的特点是无液膜传质阻力， 且无气膜传质阻力。
相间传质-薄膜理论
薄膜理论
• 薄膜理论是最早提出的一种传质理论固其简单至今 在许多冶金文献中广为应用。 • 由能斯特(Nerst)在1906年提出。
相间传质-薄膜理论
由于薄膜厚度很薄，因此假设薄膜内浓 度为线性分布而流体核心内为均一浓度。 这样对菲克定律：
所以对流传质系数
薄膜模型示意图
对流传质通量为：
气相—固相反应中的扩散
材料加工及冶金过程中有许多反应是属于气—固相反应，例如铁矿 石还原、石灰石分解及焦炭燃烧等。气—固反应中的物质移动常用 平板、圆柱体、球体等简单模型或充填层等多种模型进行研究。目 前已建立了多种气—固反应模型，主要包括未反应核模型、层状模 型、似均一相模型及中间模型等。建立这些反应模型的基点如下：
相间传质-双膜理论
由式（13.10）和式（13.11）可知，每一个相的阻力的相对大
小与气体的溶解度有关。对一个含有可溶性气体的体系，如氨 溶于水中时m很小，从式（13.10）可知，气相阻力基本上与此 体系的总阻力相等，这样传质的主要阻力是在气相，通常把这 样的体系称为气相控制体系。对一个含有溶解度小的气体的体
四、受两相中的扩散速度控制——扩散控制总速率 扩散控制传质的特点是有液膜传质阻力，有气膜传 质阻力，无化学反应阻力，其传质阻力系数为：
五、受各个过程综合控制——混合控制总速率
混合控制传质的特点是既有液膜传质阻力，又 有化学反应阻力，还有气膜传质阻力。其传质阻力 系数为：
相间传质-气固相反应中的扩散
熔液的精练过程中吹氩和真空处理、转炉中的氧气吹炼，电炉中 的碳氧反应等，都发生气—液两相之间的扩散。
气体一般以原子状态溶于熔融金属中，其溶解度随温度升高而增
加，所以金属在熔化和浇注时会吸收大量气体，而在凝固时则放 出部分气体。未来得及排出的气体将使金属性能恶化。根据平方 根定律，双原子气体(如N2、H2等)的溶解度与气体压力的平方根 成正比。
同时可以认为固相表面氧浓度cs2即与该表面上气 相内的氧浓度c0Ⅱ相同，即c0Ⅱ =cs2 ，故：
当燃烧过程处于稳定态时，jo2=jo2`＝J，故得出固 体碳氧化燃烧速率为：
当温度较高时，k+＞＞kG，则： 反应速率取决于气相中氧化剂分于的对流传质速率，称 为扩散型燃烧过程。提高气流速度、增加氧化剂浓度及 增大对流传质的因素，均可使扩散型的燃烧过程强化。
相间传质
相间传质
• 物质由某一相穿过界面到另一相内的传递叫相间传 质，它发生在互相接触的两相之间，例如气流与液体 接触 ，两种不相溶的液流接触 ，或者一种流体流过
一固体 。
•传质
薄膜理论
双膜理论
气相—液相反应中的扩散 气相—固相反应中的扩散
系，如二氧化碳溶解于水中，m值很大，从式（13.11）可知，
气相的传质阻力可以忽略不计，此时总的传质阻力基本上等于 液相的传质阻力，这样的体系称为液相控制体系。在大多数情 况下，两个相的阻力都重要，在计算总阻力时需要同时考虑。
相间传质-气液相反应中的扩散
气相—液相反应中的扩散
材料加工及冶金过程中气—液反应是十分重要的。例如有色合金
如图所示为固体碳与氧 燃烧反应的状况。下面 简化分析在固体燃料与 氧分子燃烧反应过程中 的气—固贯通传质的速 率，以说明这类问题的 基本研究方法。
1)气体中O2向固体碳表面的传输，或CO2分子从固体碳 表面向外的传输。设气流核心部分氧浓度为c0Ⅰ，固体 碳表面氧浓度为c0Ⅱ ，则氧分子向表面的传递速率为：
相间传质包括三个步骤，以气—液相的界面传质过程为
例，首先某组分以一个相的内部向界面上传输，然后是
穿过界面向第二相传输，最后向第二相内部传输。维特
曼首先提出这一理论，并称为双膜理论。
该理论有两点重要的假设：一是两相间的传质速率是被
位于界面两侧的扩散边界层的阻力所控制；二是扩散组
分穿过界面时没有任何阻力。
多孔材料中的扩散
相间传质
传质过程中速度最慢的环节或者说过程进行阻力最 大的环节叫控制环节 若界面反面有能力迅速达到平衡，则过程进行速度 由反应物的浓度或生成物中某一组分或几个组分的 移动所控制，即由物质迁移的快慢控制。 若界面反应很慢，那么过程进行速度变为由界面化 学反应速度所控制。
当温度较低时k+＜＜kG，则：
过程速率由化学反应运率决定，称为动力型燃烧过程 或称反应控制过程，升高温度成为强化动力型燃烧的 主要措施。
1) 层状模型假定颗粒内不存在反应界面，化学反应只在一定厚 度的层内进行。
2) 拟均一相模型假定化学反应不限定在颗粒内部特定的地方进 行，而是发生在颗粒内的全部地区，并伴随有非稳定态扩散， 但边界层内的扩散忽略不计。 3) 未反应核模型是假定化学反应发生在未反应核和反应产物层 的分界面(没有厚度)上，同时要考虑气相边界层的传质过程。
相间传质-薄膜理论
薄膜理论指出了强化传质的途径是设法减小薄膜厚
度(例如采用搅拌)；其简化问题的思想与采用牛顿
公式来计算对流传热传质速率的思想是一致的。
薄膜理论的假设过于简单不符合边界层理论的分析
结果也不符合相似原理指导下的实验结果、对无固
定相界面的传质过程，更不符合。
相间传质-双膜理论
双膜理论
对于直径为d的球形料块
2)在燃料块表层，氧分子通过燃烧后形成的灰分 层向反应前沿面扩散，其扩散速率为：
式中
cs2——灰层表面(相界面)上氧分子浓度 c∞2——固相内反应前沿面上的氧分子浓度
由于高温下反应速度很快，所有氧化剂分子扩散到 前沿面立即被还原，故c∞2→0，则：
若忽略δ灰则燃料块表面即为反应前沿面，此时前 沿面的化学反应速率即可代表固相内的传输速率， 即：