第十三章 热、质同时传递过程-第二节-气液直接接触时的传热与传质
水的饱和蒸汽压
2．塔下部：水与进入的较干燥的空气相遇，发生较剧烈的汽化过程，虽然水温低于气相温 度，气相给液相以显热，但对液相来说，由气相传给液相的显热不足以补偿水分汽化所带走的潜 热，因而水温在塔下部还是自上而下地逐渐下降。显然，该区域内热、质传递是反向的。
不难看出，此过程的突出特点是塔内出现了传热方向的逆转，塔上部热量由液相传向气相， 塔下部则由气相传向液相。
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的性质； 2．气相状态：气体温度 t、湿度 H 或气相中的水汽分压 p； 3．流动条件：影响着α及 kH。 传热的机理有传导、对流、辐射；传质的机理有扩散和对流。当温度不太高时，热辐射的影
响可以忽略，又当流速足够大时，热、质传递均以对流为主，且都与 Re 数成 0.8 次方关系。这 样，在温度不高、流速较大时，α与 kH 之比值与流速无关而只取决于物系性质与气相状态。因 此，对指定的物系，极限温度 tw 仅由气相状态（H、t）唯一确定，而在较宽范围内可以认为与 流动条件无关。此极限温度 tw 称为气体的湿球温度。
一、以传热为目的，伴有传质的过程：如热气体的直接水冷，热水的直接空气冷却等。 二、以传质为目的，伴有传热的过程：如空气调节中的增湿和减湿等。 以上仅从过程的目的进行分类。就其过程实质而言，两者并无重要区别，都是热、质同时传递 的过程，必须同时考虑热、质两方面的传递速率。本节以热气体的直接水冷和热水的直接空气冷却 为例进行讨论。不难看出这一讨论对热、质同时传递的过程具有普遍意义。 热气体的直接水冷 为快速冷却反应后的高温气体，可令热气体自塔底进入，冷水由塔顶淋 下，气液呈逆流接触，参见图 13-1(a)。在塔内既发生气相向液相的热量传递，也发生水的汽化 或冷凝，即传质过程。图 13-1(b) (c)分别表示气、液两相沿塔高的温度变化和水蒸汽分压的变化。
第13章热,质同时传递的过程
第13章热、质同时传递的过程13.1 概述化工生产过程中，许多过程热质传递同时进行。
如干燥、吸附、热气直接水冷和热水的直接空气冷却。
在这些过程中热质传递相互影响。
例1 热气的直接水冷例2 热水的直接空气冷却13.2 气液直接接触时的传质和传热1 过程的分析⑴过程方向的判据从上一节例子讨论可看到:温差决定传热方向,即热量总从高温传向低温；压差决定传质,即物质总从高分压相传向低分压相,且气体中的水气分压最大值为同温下水的饱和蒸汽压p s。
当p水汽=p s时,传质达到极限,此时的空气称为饱和湿空气.⑵传递方向逆转的原因在上节图中可看到,当t=θ时;即传热达到瞬时平衡时，未饱和气体中p水汽<p s,此时必发生传质,水由液相到气相传质,即水汽化,这使θ下降,t>θ，传热由气相到液相,传递方向就发生逆转。
同理，p水汽=p s即传质瞬时达到平衡时,不饱和气体t>θ,传热由气相到液相,θ上升,p s也增大,p水汽<p s,这时传质由液相到气相，即汽化,也发生传递方向逆转.由此可见，一过程的继续进行必打破另一过程的瞬时平衡，从而使传递方向逆转。
2过程的速率⑴传热速率假设：①气液相界面温度θi高于气相温度t②由于水气直接接触时液相侧给热系数α远大于气相,所以气液相界面温度与液相主体温度相等，即θ=θi。
传热速率: q=α(θ-t) kw/m2 13-1⑵传质速率以水汽分压差为推动力表示当液相平衡分压p s高于气相中水汽分压p水汽时 ,传质速率：N A=k g（p s-p水汽） kmol/(s·m2) 13-2k g气相传质系数 kmol/(m2·s·kPa)②以气体湿度差为推动力表示a：湿度H的定义：单位质量干气中带有的水汽量 kg水汽/kg干气b：H与p水汽的关系为: H= 13-3p为气相总压kPaM水，M气为水与气体的摩尔质量对水与空气系统 H=0.622 13-4饱和湿度 H s=0.622 13-5c：传质速率：N A=k H(H s-H) 13-6k H以湿度表示的气相传质系数 kg/(s·m2)3 、过程的极限热质同时传递时，过程的极限与单一传递过程不同，可区分为两种情况:⑴大量气体与少量液体接触过程的极限液相状态固定不变，气相状态变化。
气液传质过程
气液传质过程气液传质过程是指在气相和液相之间发生的物质传递过程。
气液传质是自然界和工业过程中非常重要的现象，包括了气体的溶解、气体的吸附、气体的析出以及气体的扩散等。
本文将从气液传质的基本概念、影响因素和传质机理等方面详细介绍气液传质过程。
1.气液传质的基本概念气液传质是指气体和液体之间物质的传递过程。
在这个过程中，气相中的成分可以通过溶解、吸附或扩散等方式进入液相，同时液相中的成分也可以通过气体的析出、蒸发或挥发等方式进入气相。
气液传质的基本概念是气体和液体之间的物质传递是相对分子浓度较高的一方向相对浓度较低的一方的传递。
这个过程是通过分子间的相互作用力来实现的，包括了溶解作用、吸附作用和扩散作用等。
2.影响气液传质的因素气液传质的速率受到许多因素的影响，主要包括以下几个方面：(1)物理性质的影响：气液传质的速率受到物质的物理性质的影响，如温度、压力、相对湿度等。
一般来说，温度的升高会加速气液传质的速率，而压力的升高也会加速传质速率。
相对湿度则是影响溶解和吸附过程的重要因素。
(2)化学性质的影响：气液传质的速率也受到物质的化学性质的影响，包括物质的溶解性、反应性、酸碱性等。
一般来说，溶解性较高的物质传质速率较快，而反应性较大的物质也会加快传质速率。
(3)传质界面的影响：传质界面的特性对气液传质的速率也有很大的影响。
传质界面的面积越大，传质速率越快。
传质界面的特性也包括物质的表面积、形态、粗糙度等。
(4)传质物质的影响：不同传质物质的传质速率也有所不同。
传质物质的分子量、极性、溶解度等特性都会影响传质速率。
3.气液传质的机理气液传质的机理主要包括溶解、吸附和扩散等过程。
(1)溶解：溶解是指气体在液体中的分子间相互作用力使气体分子进入液体中的过程。
溶解的速率受到温度、压力、溶液浓度等因素的影响。
溶解过程可以通过溶解度、饱和溶解度等参数来描述。
(2)吸附：吸附是指气体分子在固体表面附着的过程。
吸附的速率受到气体分子与固体表面之间的相互作用力的影响。
8-1-气液相平衡、扩散及相际传质PPT课件
一维、定态 DAB：扩散系数， m2.s ；
－：扩散方向与浓度梯度的方向
相反；
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（1）只要有浓度梯度就有物质扩散流——分子扩散 （分子微观运动宏观结果）
（2）JA= -JB：说明物质A的扩散流必伴有数量相等、方 向相反物质B的扩散流
存在条件:双组分混合物，总浓度CM= CA+CB=常数， DAB=DBA
Q
解吸溶质
xe
xx
结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发 生从液相到气相的传质，即解吸过程。
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若气、液相浓度(y,x)处
于平衡线上(R点)：
y
相对于液相浓度 x 而言 气相浓度为平衡浓度
yye
(y=ye)，溶质 A 不发生 转移。
相对于气相浓度而言液
相浓度为平衡浓度
不易再生，无可逆性
能量消耗——气液两相运行的动力消耗 吸收操作费用 溶剂损失——溶剂的挥发和变质
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溶剂再生费用—所占比例最大，是吸收操
作经济性的集中体现
7
三、本章讨论要点 1、 单组分物理吸收（本章的基本假定） 2、 微分接触设备——填料塔 3、填料吸收塔的设计与操作
本章重点：填料吸收塔的塔高计算 难点：传质过程有关概念
N M N A N B A 、 B 的 净 传 递 速 率 N A 、 N B 之 和
讨论: 主体流动与扩散流
扩散流JA或 JB是分子微观运动的宏观结果，传递的是纯组 分A或B；主体流动NM是宏观运动，它同时携带组分A及B流 向界面。定态条件下，主体流动补充界面B的量等于B的反
202向1/3扩/10 散量，使界面处CBi保持恒定。
陈敏恒《化工原理》(第3版)课后习题(含考研真题)(热、质同时传递的过程 课后习题详解)
13.2 课后习题详解（一）习题过程的方向和极限13-1 温度为30℃、水汽分压为2kPa的湿空气吹过如表13-1所示三种状态的水的表面时，试用箭头表示传热和传质的方向。
表13-1解：已知：t＝30℃，P＝2kPa，与三种状态水接触。
求：传热、传质方向（用箭头表示）查水的饱和蒸汽压以Δt为传热条件，为传质条件，得：表13-213-2 在常压下一无限高的填料塔中，空气与水逆流接触。
入塔空气的温度为25℃、湿球温度为20℃。
水的入塔温度为40℃。
试求：气、液相下列情况时被加工的极限。
（1）大量空气，少量水在塔底被加工的极限温度；（2）大量水，少量空气在塔顶被加工的极限温度和湿度。
解：已知：P＝101.3kPa，，逆流接触。
求：（1）大量空气，少量水，（2）大量水，少量空气，（1）大量空气处理少量水的极限温度为空气的湿球温度（2）大量水处理少量空气的极限温度为水的温度且湿度为查40℃下，过程的计算13-3 总压力为320kPa的含水湿氢气干球温度t＝30℃，湿球温度为t w＝24℃。
求湿氢气的湿度H（kg水/kg干氢气）。
已知氢-水系统的α/k H≈17.4kJ/（kg·℃）。
解：已知：P＝320kPa，t＝30℃，氢水-水系统，求：H（kg水/kg干氢气）查得24℃下，13-4 常压下气温30℃、湿球温度28℃的湿空气在淋水室中与大量冷水充分接触后，被冷却成10℃的饱和空气，试求：（1）每千克干气中的水分减少了多少？（2）若将离开淋水室的气体再加热至30℃，此时空气的湿球温度是多少？图13-1解：已知：P＝101.3 kPa，求：（1）析出的水分W（kg水/kg干气）（1）查水的饱和蒸汽压（2）设查得与所设基本相符，13-5 在t1＝60℃，H1＝0.02kg/kg的常压空气中喷水增湿，每千克的干空气的喷水量为0.006kg，这些水在气流中全部汽化。
若不计喷入的水本身所具有的热焓，求增湿后的气体状态（温度t2和湿度H2）。
《化工原理》第13章 热质同时传递的过程
⑴传热，伴有传质 如热水直接空气冷却
⑵传质，伴有传热 如气体增减湿
②原理：温度差、分压差(判据没变) ③实施方法：气液直接接触 ④操作费用：热量(汽化、冷凝)
输送机械能
工业实例： 热气体直接水冷
工业实例： 凉水塔
冷却塔外观
冷却塔 下部
凉水塔外观
0.622
0.5 2.27 101.3 0.5 2.27
=0.007水/kg干气
② p水=0.5×2.27=1.14 kPa
由φ1=100 %，查表得t1=9℃
③查tW=25℃, rW=2441kJ/kg, pW=3.186 kPa
(t0 tW ) kH rW ( HW H0 )
H0
HW
,
tas≈tW
湿球温度的物理含义是什么？ 绝热饱和温度的物理含义是什么？ 两者有什么异同点？ 焓-湿图(238页，总压一定，两个独立变量) 注意：td, p水汽, H 相互不独立
例：已知：100kPa, t=50℃, p水汽=4kPa
求： , H , I , td (查表50℃，pS=12.4kPa)
c.流动条件：α, kH 空气-水系统，流动时
1.09 kJ/kgK
kH
⑵绝热饱和温度
气体在绝热条件下，
增湿至饱和(等焓过程)
Vc pH (t tas ) V ( Has H )ras
气温下降放热 气体增湿带热
路易ta斯s 规t 则 cr：paHs 空(H气as -水H系) 统：
kH
c pH
凉水塔风机
凉水塔外观
凉水塔图纸
凉水塔风机
凉水塔图纸
⑤过程新特点： ⑴传热方向或传质方向可能发生逆转 ⑵极限不一定是θ=t, p水汽=pe
电子教案与课件：传热和传质基本原理 C10FULL
qs
l hfg
qs
10.4b
Db
l g
10.4a
V qs
10.3.2 池内沸腾的模式
沸腾曲线可以说明支配沸腾过程的物理机理。
1）这条具体的曲线是针对水的，但其他流体 也有类似的趋势。
2）这条曲线是通过改变表面温度并测量热流 密度获得的，即温度控制模式。
3）由牛顿冷却定律，qs hTs Tsat h Te ，
可知热流密度既与对流系数也与过余温度有关。
Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, vol. 37, no. 206, pp. 367-374, June 1934. The English translation was published twice in International Journal of Heat and Mass Transfer, in vol. 9, pp. 1419-1433, 1966 and in vol. 27, pp. 959-970, 1984.
3）固-液交界面上的沸腾，或固-汽（刚开始）、液-汽交界面上的凝结
沸腾与凝结的特征
1）涉及流体的运动，属对流传热模式，但不是单相流体传热。 2）由于存在相变，会发生流体放热或吸热而流体温度不变的情况。 3）重要参数：潜热，液-气交界面上的表面张力，两相之间的密度差，
密度差引起的浮力远大于无相变的自然对流。 4）由于潜热和浮力驱动的流动的共同作用，使沸腾与凝结的换热系数
使用镍铬丝做实验时，当热流密度达到并略高于qmax 时， 线的温度突然跳至镍铬丝的熔点，发生烧毁现象。
用铂丝替换镍铬丝， 可获得 qmax 而不烧毁。
当依次降低功率时，
气液换热器工作原理-概述说明以及解释
气液换热器工作原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述气液换热器是一种常见的热交换设备，广泛应用于许多工业领域和日常生活中。
它通过将气体和液体之间的热量传递，实现能量的转移和利用。
气液换热器能够有效地提高能量利用率，降低能源消耗，因此在能源领域具有重要的应用价值。
气液换热器的工作原理基于热传导和对流传热两种方式。
首先，通过设备内部的传热表面，将热量从热源（气体）传递给工作介质（液体）。
这一过程中，热量会通过热传导的方式从高温区域传递到低温区域。
同时，在介质中形成对流传热，通过流体的对流运动带走热量，加速热量传递的速度。
气液换热器的设计结构通常包括多个传热单元，每个传热单元由多个管束组成。
热源流体（气体）和工作介质（液体）通过这些管束分别流动，实现了热量的传递。
在传热过程中，气体和液体通过有效的接触面积，使得热量的传递效率得到最大化。
总之，气液换热器是一种重要的热交换设备，它通过热传导和对流传热的方式，将气体和液体之间的热量进行传递和转换。
其有效地提高了能量利用率，降低了能源消耗，对于工业领域和日常生活中的能源管理具有重要意义。
文章结构部分主要介绍了本文的整体结构和各个部分的内容安排。
以下是文章1.2文章结构部分的内容：文章结构：本文将分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分将首先对气液换热器进行概述，介绍其在工程领域中的重要性和应用情况。
同时，本部分还将说明文章的结构和目的，为读者提供对整篇文章内容的整体认识。
正文部分将重点围绕气液换热器的基本原理和工作原理展开。
其中，2.1节将详细介绍气液换热器的基本原理，包括其结构组成和主要工作方式。
2.2节将进一步深入探讨气液换热器的工作原理，解释其在实际应用中如何实现热量传递和能量转换的过程。
结论部分将对全文进行总结，简要回顾气液换热器的工作原理和应用领域，并展望其未来的发展前景。
本节还将强调气液换热器在能源转换和工程应用中的重要性，以及可能的研究方向和挑战。
气液质量传递
◆ 0.25 ÷ 0.052 = 4.8 (s) 培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须连续通气。
2、饱和浓度
气体和溶液接触一定时间后，气体分子在气-液二相中的浓度，就会达到动态 平衡，此时溶解到溶液中的气体分子数等于逸出溶液的气体分子数。若外界条
1/k1 、1/k2与空气情况有关 1/k3 、1/k4 、1/k5与发酵液成分、浓度有关 1/k6 、1/k7 、1/k8与微生物的种类、特性、生理状态有关
供氧方面
◇ 由于氧很难溶于水，所以供氧方面的液膜阻力（1/k3 ; 1/KL ）是氧溶于水时 的限制因素。
◇ 良好的搅拌使气泡和液体充分混合而产生湍流，可减少1/k3、1/k4，加速氧 的传递。
溶解度 2.18 1.70 1.54 1.38 1.26 1.16 1.09 1.03
当纯水与一个大气压的空气相平衡时，温度对氧 饱和浓度的影响也可用下列经验公式来计算（适用 浓度为4～33ºC)
C* = 14.68/ (31.6 + t)
C* ---与1个大气压空气相平衡的水中氧的饱和浓度，mol/m3 t--- 溶液的温度，ºC
气相中氧浓度增加，溶液中溶氧浓度亦随之增加，必要时可向发酵液中 通入纯氧以提高溶氧。
二、微生物的摄氧率
摄氧率（OUR; Oxygen Utilization Ratio) ------ 单位时间内单位体积培养液中微生物摄取
氧的量。记作 rO2 (mmol/L·h)
rO2因微生物种类、代谢途径、菌体浓度、温度、
5、有毒例pH产如、物；温的菌度形龄等成为及24积小累时的产黄青霉呼吸强度最高 一般温度愈高，营养越丰富，临界值也相应越高
化工原理第三版(陈敏恒)上下册课后思考题答案(精心整理版)
化工原理第三版(陈敏恒)上下册课后思考题答案(精心整理版)第一章流体流动1、什么是连续性假定质点的含义是什么有什么条件连续性假设：假定流体是由大量质点组成的，彼此间没有间隙，完全充满所占空间的连续介质。
质点指的是一个含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比分子自由程却要大得多。
2、描述流体运动的拉格朗日法和欧拉法有什么不同点拉格朗日法描述的是同一质点在不同时刻的状态；欧拉法描述的是空间各点的状态及其与时间的关系。
3、粘性的物理本质是什么为什么温度上升,气体粘度上升,而液体粘度下降粘性的物理本质是分子间的引力和分子的运动与碰撞。
通常气体的粘度随温度上升而增大，因为气体分子间距离较大，以分子的热运动为主，温度上升，热运动加剧，粘度上升。
液体的粘度随温度增加而减小，因为液体分子间距离较小，以分子间的引力为主，温度上升，分子间的引力下降，粘度下降。
4、静压强有什么特性①静止流体中，任意界面上只受到大小相等、方向相反、垂直于作用面的压力；②作用于某一点不同方向上的静压强在数值上是相等的；③压强各向传递。
7、为什么高烟囱比低烟囱拔烟效果好由静力学方程可以导出pH(冷-热)g，所以H增加，压差增加，拔风量大。
8、什么叫均匀分布什么叫均匀流段均匀分布指速度分布大小均匀；均匀流段指速度方向平行、无迁移加速度。
9、伯努利方程的应用条件有哪些重力场下、不可压缩、理想流体作定态流动，流体微元与其它微元或环境没有能量交换时，同一流线上的流体间能量的关系。
12、层流与湍流的本质区别是什么区别是否存在流体速度u、压强p的脉动性，即是否存在流体质点的脉动性。
13、雷诺数的物理意义是什么物理意义是它表征了流动流体惯性力与粘性力之比。
14、何谓泊谡叶方程其应用条件有哪些32lu应用条件：不可压缩流体在直圆管中作定态层流流动时的阻力损失计算。
d215、何谓水力光滑管何谓完全湍流粗糙管当壁面凸出物低于层流内层厚度，体现不出粗糙度过对阻力损失的影响时，称为水力光滑管。
热质同时传递的过程
水汽
p p水汽
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气膜 气体 t, H
对流传热 q
h
液滴 kH 对流传质 N
液滴 表面 tw , Hw
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气相向液相的传热速率与液相向气相传质 时带走潜热的速率相等：
(t tw ) kH (H w H ) w
tw决定于三方面： 1.物系性质 2.气相状态 3.流动条件
第13章 热、质同时传递的过程
主讲：李梅
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13.1 概述
热质同时传递的分类： 1.以传热为目的，伴有传质的过程：如热气 体的直接水冷，热水的直接空气冷却等； 2.以传质为目的，伴有传热的过程：如空气 调节中的增湿和减湿等。
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一、热气体的直接水冷
1、塔下部：气温高于液温，气 体传热给液体。同时，气相中 的水汽分压低于液相的水汽分 压，水由液相向气相蒸发。特 点：热、质反向传递，液相温 度变化和缓；气相温度变化急 剧，水汽分压自下而上急剧上 升，但气体的热焓变化较小； 2、塔上部：气温高于液温，气 体传热给液体。特点：热、质 同时进行，水温急剧变化。
四、设计型计算的命题 设计任务：将一定流量的热水从入口温度冷 却至指定温度； 设计条件：可供使用的空气状态，即进口空 气的温度与湿度； 计算目的：选择适当的空气流量，确定经济 上合理的塔高及其它有关尺寸。 五、计算方法 逐段计算法和以焓差为推动力的近似计算法。
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三、热量衡算微分方程 对微元塔段作热量衡算： VdI=c pl(Ldθ+θdL) 其中I为湿空气的焓：1千克干气体的焓及其 所带H千克水汽的焓之和。 通常，干气体的焓以0℃的气体为计算基准， 水汽的焓以0℃的水为基准。所以，温度t、 湿度H的湿气体的焓: I=c pgt+c pvHt+r 0H
第十三章 热、质同时传递过程-第二节-气液直接接触时的传热与传质
NA—传质速率，kmol/s.m2； kg—气相传质分系数， kmol/s.m2.kpa 湿度:单位质量的干气体带有的水汽量, kg水汽/kg干气
H= M水 M气 × p 水汽 p − p 水汽
p—气相总压，kPa； M—摩尔质量。
对空气—水系统
H = 0.622 p 水汽 p − p 水汽
西北大学化工原理
若已知空气状态（t，H）及物系的kH/α值， 而rW和HW是tW的函数，所以须经试差才能求出 tW 。 表13-1（P317）列出了不同温度下水的汽化热与空气 的饱和温度；图13-5（P308）表示空气-水系统的湿 球温度tW与空气状态（t，H）的关系。
西北大学化工原理
西北大学化工原理
西北大学化工原理
西北大学化工原理
对空气—水系统
α
kH
≈ C pH
t w = t as
对某些有机溶液—空气系统
t w > t as
以湿度差为推动力的传质速率式
N A = k H (H S − H )
kg/s.m2
kH—以湿度差为推动力的气相传质系数，kg/s.m2; Hs—气相中水汽分压等于水温下的饱和蒸汽压时气体的湿度； NA—单位时间、单位面积所传递的水分质量数，kg/s.m2。
pS H S = 0.622 p − pS
pS—水温下的饱和蒸汽压。
ps H w = 0.622 p − ps
tWH w − H ) rW
液相的极限温度tW决定于三方面因素： （1）物系性质：rW、Ps=f(tW)及与αg、kH有关的物性； （2）气相状态：t、H或气相中的水气分压； （3）流动条件：影响α、 kH的流动参数。
西北大学化工原理
当流速足够大时，热质传递均以对流为主，且满足： αd Cpμ 0.8 04 Pr = ) Nu = 0.023 Re Pr ( Nu = λ λ μ kH d 0.8 0.33 ) Sh = 0.023Re Sc (Sh = Sc = D ρD
化工原理 第13章 热、质同时传递的
气液在板式塔中直接接触，塔内无限多块板，塔底
温度将无限接近某极限温度tas。 考察塔底最下一级理论板，离开板的气相温度和液相温
度相等，气相水气分压与该级水温的饱和蒸汽压相对，
气相达到饱和，即
Hasf(tas)
由于无穷多级，进入该级水的温度的出该级水的温
度基本相等，且该板对外绝热，无热损失，传热过程
同理，当未饱和气体的水汽分压p水汽等于水温θ下的饱 和蒸汽压pS，传质过程瞬时达到平衡，但不饱和空气的 温度t必高于水温θ，此时传热继续，水温升高，传质
又开始进行。
可见传热和传质同时进行，一个过程的继续进行必
打破另一个过程的瞬时平衡，使传递方向逆转。
过程的速率
设气液界面温度θi大于气相温度，
q(i t)
湿球温度和绝热饱和温度的关系 1）湿球温度是传热和传质速率均衡的结果，属于动力
学范畴； 2）绝热饱和温度是热量衡算和物料衡算的结果，属于
静力学范畴； 3）对于空气～水系统可以认为湿球温度与绝热饱和温
度相等。其他物系不一定。
13.3 过程的计算 13.衡算（凉水塔）
化工原理 第13章 热、质同时 传递的
13.1 概述 在某些过程，热、质传递同时进行，热、质传递速率
互相影响 1）以传热为目的，伴有传质过程，如热气体直接水冷
却；热水直接空气冷却。 2）以传质为目的，伴有传热过程，如空气调节的增湿和
减湿。 热气体的直接水冷
气液呈逆流接触，气相向液相进行热量传递，也发生 水的汽化或冷凝。
为：液相得到的显热等于气化成蒸汽的潜热回到气相。
VcpH (t tas ) V (Has H) as
tas
t
as
cpH
(Has
第13章-质量传输概念与第14章分子传质
∂c A ∂ρ A 2 2 或 = DAB∇ c A = DAB ∇ ρ A ∂t ∂t
定解条件（自学） 第四节 定解条件（自学）
一、初始条件 t=0, cA=cA(x,y,x) 二、边界条件 （1）边界上的浓度 c=c0, cA=0 （2）边界上的质量通量密度 ∂cA/∂n=0 （3）边界上的摩尔通量密度 (NA)w=kc(cAw - cA∝) （4）边界上的化学反应速率 k1为一级反应速率 (NA)w=－k1cAw， k1为一级反应速率
浓度、速度、 第一节 浓度、速度、扩散通量密度
同样，定义相对于平均速度的组分A 同样，定义相对于平均速度的组分A的摩尔通量 平均速度的组分 密度（或摩尔扩散通量密度） 密度（或摩尔扩散通量密度）为：
J A = c A (v A − v m )
J A = N A − c Av m
cA － 组分A的物质的量浓度（mol/m3 ） 组分A的物质的量浓度（ 相对于平均速度的组分A JA － 相对于平均速度的组分A的摩尔通量 密度（ s)） 密度（mol/ (m2⋅ s)） 双组分混合物相对于静止坐标 静止坐标的 双组分混合物相对于静止坐标的总摩尔通量密度 N （mol/ (m2⋅ s)）为： s)）
DAB JA =− dc A / dz
通常气体的扩散系数为： 通常气体的扩散系数为： 10-5 m2/s 液体的扩散系数为： 液体的扩散系数为：10-9 ～10-10 m2/s 固体的扩散系数为： 固体的扩散系数为：10-10～10-15 m2/s
第二节 扩散系数
有很大的影响， 温度对固体扩散系数 D 有很大的影响， 两者关系可用下式表示： 两者关系可用下式表示：
j A = ρ A (v A − v )
所以： 所以： nA =
第十三章 热、质同时传递的过程
2、传质速率 N A = kg ( ps − p) PS为液相温度对应的平衡分压 N A = kH (HS − H ) 以湿度差为推动力
气体湿度 H 的定义： 单位质量干气体带有的水汽量 kg水汽 kg干气
空气湿度
H=
湿空气中水汽质量 湿空气中干空气质量
=
m水汽 m干气
=
M 水n水 M 气n气
=
18 • 29
=
0.0303kg 水气
/ kg干气
四、热质同时传递过程的计算
1、湿空气热焓 I
单位 kJ / kg干气
定义：1 kg干气焓 + H kg水汽焓
焓基准：干气0℃ 水汽0℃
所以： I = CPg t + HC PV t + Hro
干气比热 + 水汽比热 + 水汽化热
= (CPg + CPV H )t + r0 H = CPH 固定不变，液相状态变化（湿球温度计 ）
液相极限温度—— 湿球温度 tw
t
过程分析： 起初 t = θ水
由于 p水汽 < pS ，过程逆转（传热）
tw
水汽化从其自身吸热使水温θ ↓
气体
此时，t气 > θ水，空气传递显热给水，
空气 传 热 水
水 传 质 空气 ps > p
如果这一热量不足以补偿水的汽化所需 热量，水温θ继续下降，降至tw时，在ttw温差下，空气传给水的显热与水汽化 所需热量相等，达到平衡状态，水温θ
第十三章 热、质同时传递的过程
一、热质同时传递过程的特征与过程方向判断 二、热质同时传递过程的速率 三、热质同时传递过程的极限 四、热质同时传递过程的计算
一、热质同时传递过程的特征与方向判断
第十三章热质同时传递的过程
H as t as 下的饱和湿度
kg水汽 / kg干气
ras t as
下的汽化热
kJ / kg
讨论：
（1） 绝热饱和温度的含义
t as 是气体在绝热条件下（等焓）降温增湿到饱和的过程。 ras ( H as H ) （2） t as t C PH
空气—水系统 C PH
（3） t w
H as f (t as )
在绝热、无热损失条件下，液相从气相得到的显热
恰好用于汽化水分所需的潜热。
P224 VC PH (t t as ) V ( H as H )ras CPH:气体的湿比热容
空气传给水的显热 = 水汽化后带回空气的潜热
V 气相流率，以干气质量 表示，kg / s.m2
（少量空气，大量水长期接触）
1、气相状态固定不变，液相状态变化
液相极限温度—— 湿球温度 t w
由于 p水汽 pS 水 过程逆转（传热） 水汽化从其自身吸热使水温 过程分析： 起初 t 水
当t气 水，空气传热给水，
如果这一热量不足以补偿水的汽化 所需热量，水的温度θ继续下降。 水 空气
第十三章
热质同时传递的过程
一、过程特征与过程方向判断
二、过程速率
三、过程极限 四、过程计算
一、过程特征与过程方向判断
分类
以传热为目的伴有传质：热水塔，凉水塔
以传质为目的伴有传热：固体干燥、精馏等
特征：具有发生传热或传质方向逆转的可能性
热质同时传递，相互之间有影响。一个过程进行 必将打破另一过程瞬时平衡，使过程发生逆转。
由于凉水塔内水分蒸发量不大，故
L 2 L1 L
2 1 V I 2 I 1 LCpL
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2、过程的速率
q = α (θ i − t )
式中 q—传热速率，kJ/s.m2 α—气相对流给热系数，kJ/s.m2.℃ θi—气液界面温度，℃ t —气体温度，℃ 一般地， α液体＞＞ α气体； θi≈θ
q = α (θ − t )
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传质速率式
N A = k （p s − p 水汽） g
这样，在温度不变、流速较大时， α与kH之比 值与流速无关，而只取决于物系性质与气体状态。
对空气-水系统 对于有机液体和空气系统
α / k H ≈ 1.09 α / k H ≈ 1.67 ~ 2.09
结论：对于一定物系，tW只取决于气相状态（H，t）
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tW = t −
kH
α
( H w − H ) rW
以湿度差为推动力的传质速率式
N A = k H (H S − H )
kg/s.m2
kH—以湿度差为推动力的气相传质系数，kg/s.m2; Hs—气相中水汽分压等于水温下的饱和蒸汽压时气体的湿度； NA—单位时间、单位面积所传递的水分质量数，kg/s.m2。
pS H S = 0.622 p − pS
pS—水温下的饱和蒸汽压。
NA—传质速率，kmol/s.m2； kg—气相传质分系数， kmol/s.m2.kpa 湿度:单位质量的干气体带有的水汽量, kg水汽/kg干气
H= M水 M气 × p 水汽 p − p 水汽
p—气相总压，kPa； M—摩尔质量。
对空气—水系统
H = 0.622 p 水汽 p − p 水汽
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ps H w = 0.622 p − ps
tW = t −
kH
α
(H w − H ) rW
液相的极限温度tW决定于三方面因素： （1）物系性质：rW、Ps=f(tW)及与αg、kH有关的物性； （2）气相状态：t、H或气相中的水气分压； （3）流动条件：影响α、 kH的流动参数。
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当流速足够大时，热质传递均以对流为主，且满足： αd Cpμ 0.8 04 Pr = ) Nu = 0.023 Re Pr ( Nu = λ λ μ kH d 0.8 0.33 ) Sh = 0.023Re Sc (Sh = Sc = D ρD
湿球温度的实验测定
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2、分级接触式设备中的极限温度—绝热饱和温度
理论级: t气相=tas(液相) P水汽=ps 气相达饱和Has=f(tas) 级数无限多,塔底液体无限接 近极限温度.
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VC pH (t − t as ) = V ( H as − H )ras
CpH—气体的湿比热（kJ/kg.℃）。1kg干气及其H Kg的水汽温度升高1℃所需要的热量。
ras t as = t − ( H as − H ) C pH
tas—绝热饱和温度 tas=f（t，H）
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绝热饱和器工作原理分析
气体状态的变化是在绝热条件下降温增湿直至 饱和的过程——绝热饱和温度
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3、湿球温度tw 与绝热饱和温度tas 的关系
• tw ：大量空气与少量水接触，空气t、H的不变 • tas ：大量水与一定量空气接触，空气降温、增湿 • tw ：是传热与传质速率均衡的结果，属于动平衡 • tas ：是由热量横算与物料衡算导出的，属于静平衡 • tw 与tas 数值上的差异取决于α/kH 与cH两者之间的差别
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第二节 气液直接接触时的传热与传质 一、过程的分析 1、过程的方向 温度是传热方向的判据； 分压是传质方向的判据。 饱和湿空气 Pe=p 传质方向发生逆转的原因：Pe=f（t）但不饱和气体 的温度与水汽分压p是两个独立变量。
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例题：温度为30℃，水汽分压为2kPa的湿空气与 50℃的水接触，判断热、质传递的方向。
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3、过程的极限 单一传热过程的极限是温度相等，达到热平 衡状态；但一传质过程的极限是气相分压与液相 平衡分压相等，达到相平衡状态。 热、质同时传递时过程的极限与单一传热过 程的极限不同，分两种情况： （1）、液相状态固定不变，气相状态变化 一般来说，大量液体与少量气体接触的极限 为气体温度接近于液体温度，气相水蒸汽分压接 近饱和蒸汽压。
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对空气—水系统
α
kH
≈ C pH
t w = t as
对某些有机溶液—空气系统
t w > t as
பைடு நூலகம்
西北大学化工原理 （2） 气相状态固定不变，液相状态变化 如果气体进口为未饱和状态，则不可能同时达到传 热、传质的平衡状态。如果θ=t，则p<pe，传质过程仍能进 行，传质过程(水分汽化)所伴随热效应必破坏已达成的热平 衡。相反地，如果p=pe，进口气相不是饱和状态，则必有 θ<t，继续传热，从而将改变液相温度，破坏原有的平衡。 结论:在气相状态固定不变，液相状态变化时，不能 同时达到热质传递平衡状态。但过程仍有极限。
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二、极限温度—湿球温度与绝热饱和温度 1、凉水塔塔底液相极限温度—湿球温度
α (t − tW ) = k H (HW − H ) rW
α、kH—气体对流给热系数和传质分系数； rW —水温tW下的汽化热，kJ/kg； HW—tW温度下的饱和湿度，kg水汽/kg干气。
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若已知空气状态（t，H）及物系的kH/α值， 而rW和HW是tW的函数，所以须经试差才能求出 tW 。 表13-1（P317）列出了不同温度下水的汽化热与空气 的饱和温度；图13-5（P308）表示空气-水系统的湿 球温度tW与空气状态（t，H）的关系。
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