备课_质量传输(Chapter_11)-3rd.pptVIP

第三篇 质量传输 在材料加工、化工、冶金、低温工程、空间技术等领域当中，质量传输是很重要的过程。许多材料的加工工艺的单元操作，比如加热、溶解、焊接、表面热处理等，都要涉及质量传输过程。在金属热态成形过程中，也常遇到质量传输的现象，如金属熔炼时不同原材料在熔融金属中化学成分的均匀、金属液的造渣和吹气精炼过程、金属材料退火时的成分均匀化。 质量传输是指物质从体系的某一部分迁移到另一部分的现象，简称传质。 传质现象出现的原因可能有很多，如浓度梯度、温度梯度、压力梯度都会导致质量传输过程。本质上讲，质量传输是由体系中的化学势差引起的。当然流体的宏观流动也会将物质从一处迁移到另一处。 质量传输主要研究物质分子、原子等微观粒子的迁移，不研究物质微团、颗粒甚至更大体积物质在空间的移动，着眼点是浓度场的变化。 质量传输过程受动量传输和热量传输影响，三种传输都与分子的转移和运动有关，他们的传输规律具有相似性。 质量传输除了分子传输或湍流传输产生的传质速率外,还需考虑传输介质自身在传输方向上移动，及混合物宏观运动由一处向另一处移动所携带的传输组分的速率。这种由混合物整体流动携带的传输组分的速率取决于混合物的宏观运动速度和混合物的组成，与浓度梯度不成比例。 研究方法： 研究质量传输的方法与研究热量传输的方法相似。 如果系统当中组分浓度比较低，质量交换率比较小，传质现象的数学描述与传热现象是类似的。如果定解条件也类似，从传热中得到的许多结果可以通过类比直接应用于传质。当然，如果以上条件不满足，传热与传质过程就会有明显差别，类比关系就不再适用。 研究目的： 确定系统内浓度分布、求出质量传输速率。 第十一章 质量传输的一些基本概念与扩散系数 11.1传质方式、浓度、物质流 （1）质量传输方式: 扩散传质：由体系中浓度差（本质上是化学势差）引起的质量传输。（分子传质） 从本质上说，它是依赖微观粒子（分子、原子、离子）的随机的分子运动所引起的。对某一传输的物质体系而言，当体系存在浓度差时，浓度大的分子破坏了均衡态而导致了定向的分子运动，促使浓度大的区域的分子趋向浓度小的区域，而达到浓度一致，从而完成宏观的质量传输。通常情况下，分子扩散传质是很缓慢的，传递的质量亦是很少的。 如:金属件热处理内部成分均匀化和表面合金化。 对流传质：由流体宏观运动引起物质从一处迁移到另 一处。包括流体主运动引起的传质和浓度梯度引起的扩 散传质。发生在流体内部、流体与流体的分界 面或流体与壁面间，与传输特性（扩散系数、浓度梯 度）流体的流动状态、流体动量传输密切相关。 如：吹气对金属液的精练。 相间传质：通过不同的相界面进行。既有分子或原子 的扩散、又有流体中的对流传质，是多种传质过程的 综合 。与界面上的化学反应、相界面两侧介质的性质、 运动状态有关。 如：钢件渗氮热处理。 （2）浓度 质量浓度（单位体积混合物中的组分质量） 总质量密度： 质量分数浓度（单位质量混合物所含组分的质量） 摩尔浓度（单位体积混合物中含组分的摩尔数） 总摩尔浓度： 分子量（g） 摩尔分数浓度（单位摩尔混合物中所含组分的摩尔数） 分压 气体 质量分数浓度ωi与摩尔分数浓度xi之间的关系： （3）传质通量和流速 速度 多组元混合物，质量平均流速（主体流动速度） 摩尔平均流速 相对于质量平均速度v： i组分运动速度（扩散速度） v**= vi-vm (m/s) 相对于静止坐标： i组分运动速度（绝对速度）＝vi (m/s) i组分运动速度（扩散速度）v*=vi -v (m/s) 相对于摩尔平均速度vm： 传质通量 质量传质通量： 摩尔传质通量： 单位时间内通过垂直于传质方向上单位面积的质量（摩尔数）为质量传质通量（摩尔传质通量）。 1）相对于静止坐标：（以绝对速度表示的传质通量） 混合物总的质量传质通量： 混合物总的摩尔传质通量： 质量传质通量： 摩尔传质通量： 2）相对于质量平均速度v： 3）相对于摩尔平均速度vm： 混合物总的质量传质通量： 混合物总的摩尔传质通量： 4）相互关系式： ji ni ρiv 静止平面 Ji Ni civm 静止平面 不同浓度基准下三种通量之间的关系 组分i相对于静止坐标的通量由2部分组成：以摩尔（质量）平均速度为基准的分子扩散通量Ji（ji），由主体流动引起的通量xiN(ωin) 例：由O2组分（A）和CO2（组分B）构成的二元系统中发生一维稳态扩散。已知： 求： 11.2 Fick第一定律 如果体系无总体流动时，由浓度梯度引起的物质扩散通量与其浓度梯度成正比，扩散方向与浓度梯度方向相反。 由浓度梯度引起的单组元本征扩散： ci：摩尔浓度， ρi ：质量浓度 Di：本征扩散系数（以自身浓度梯