《热质交换原理与设备》第2章 热质交换过程

第2章 热质交换过程

2.1 传质基本概念

(1)定义：两种或两种以上的组分的混合物，其组分互相的迁移，本专业有关的即传质过程往往就是相变过程，传质与传热的复合。

(2)对换热设备而言，可以利用相变来传热。 (3)传质的基本方式

⎩⎨

⎧对流引起的对流扩散在流体中由于由微观分了引起边界层中分子扩散在静止流体或

,

(4)动量、热量、质量交换是类比现象，不是相似现象。

什么叫相似现象？用同一个微分方程来描述，且描写的物理量相同。 什么叫类比现象？用同一个微分方程来描述，但描写的物理量不同。 2.1.1 扩散传质的物理机理

例 墨水在无扰动的清水中的扩散，汽车尾气与静止大气中的传播。 2.1.2 浓度的概念

(1)概念：二元或多元混合物中，单位体积中含组分能量的多少，的浓度。

例1第一节内容中三个基本传递公式中动量浓度，焓浓度，质量浓度（密度），斐尔浓度。

例2空气粗略的可以看作是氧气A ，氮气B 的混合物。

B

B B A A

A V M

C V M C ρρ====

(2)如果二元混合物是混合气体

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

==⇒⎭⎬⎫==T R P C T R P C T R M V P T R M V P B B

B A

A A

B B B A A A 求 A P ——氧的分压力

A M ——氧的质量

V ——混合气体体积

A R ——气体常数

T ——绝对温度

质量浓度 ⇔分压力 正比关系

(3)质量百分数

C C M M C A

A A A ===

ρρ*

**A A A A C C C C ρρ===

∴

ρ、C —— 混合气体的浓度，即单位体积中混合气体的总质量

同理 对摩尔浓度 nA ，摩尔百分数

n nA

n A =

*

2.1.3 扩散通量

⎪⎪⎩⎪⎪

⎨

⎧相对扩散通量扩散通量向量绝对扩散通量摩尔扩散通量质扩散通量组分的物质的量单位面积上通过的某一单位时间

扩散通量.

注意： (1)不同方向上，扩散通量的大小不同。

(2)等于浓度面上的某点，以通过该点的最大扩散通量的方向为方向，数值上

也正好等于该方向上的扩散通量的向量，称扩散通量向量。

(3)在基本公式中，由于是一维情况∴扩散通量=扩散通量向量，此时只有一个

方向上有质量扩散。 2.2 扩散传质 2.2.1 斐克定律

(1)条件：稳态扩散

dy dn D N dy

dC D M A AB

A A

AB

A -=-=

注意：a.

⎩⎨

⎧==整体流动相对扩散通量

无整体流动深扩散通量νν0A m

b.扩散的动力是浓度梯度

c.换算关系，各项含义

A A A u m N /= A

B D ——分子扩散系数

(2) 斐克定律的其它表达式

当混合物整体的质平均速度ν移时，对静坐标而言，组分A 的净质扩散通量 'A m 等于

因移动而传递的质量和因浓度差而传递的质量之和。

νA A A C m m 1

-='

2.2.2 斯蒂芬定律

↓>↑

>B P P A P P B B A A 2

12

1 图见“课本图2-2”

箭头表示速度或物质传递的方向

由斐克定律

dy dP T R D m A A A -

=

dy dP T R D m B B B -

=

有 B

A B

A R R dy dP

dy

dP <=

B A m m <∴

互扩散速率不同 ⇒存在整体移动并且整体移动的平均速度 ↑ν（箭头表示速度或物质传递的方向）

(1)注意：条件 0='

B m ∴ 斯蒂芬定律是用来计算相对于静坐标单向扩散情

况下的净扩散通量。

(2)

12

1

2ln P P P P m P B B B B -=

⋅

m P P P P P B B B B B 11

212ln

-=

组分B 的分压强的对数平均值。

(3)两个定律的比较

斐克定律

)(21A A A C C n D

m -=

A A m

B m m P P >'

>, A A m B m m P P ='

→,

,

水蒸气的分压强及其变化与总压强相比很小时。

2.3 对流传质

（1） 研究方法：不再通过求解微元体的微分议程，而是利用“相似理论”，借助热量传递的结果，推导出传质的解，而这一切，都存于“传质”是相似现象。 对流传质A 的蒸汽（水蒸汽）从液体表面蒸发 )(,,∞-=A S A m A C C h A m

A m ——传质过率 kg/s

注意 符号有点混淆，和前面 A m 不同。

)(,∞-="

A AS m A C C h m

"

A m ——质量流密度 （质扩散通量） 2/m s kg ⋅就是之前的“ A m ”

⎰=

AS S

m hmdAs A h 1

m h ——传质系数

S A s sat S A T R T P C )(,=

K kmvL J R u R R R O A

O

A A ⋅==

/8314,,

注意：①此处是

②

)

(,,∞-="

A S A m A n n h N

A S A S A u C n ,,=

对流传质的一切因素都用 hm 概括了。回忆一下我们是如何讨论 α的

)10(αα=

因为变量太多，所以引入准则数 Re 、Pr 、Gr ，减少变量个数，这就是相似理论的应用。每一个准则数代表复杂现象中的一个单元现象，分别试验每一个准则，再将其关联起来，