北航材料传输原理质量传输4

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
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来自百度文库部向界面上传输，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。
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。
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 。
• 可能有物质在相间传递，而且有时还伴随着多相化学
反应发生。
相间传质
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
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-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
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-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
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。
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。
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
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：
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。
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。
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：