传输原理传质PPT讲稿.ppt
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1、传输原理传质第1页,共38页,编辑于2022年,星期四一、一维稳定扩散一、一维稳定扩散(浓度场不随时间变化,只随空间变化。(浓度场不随时间变化,只随空间变化。Fick I)即即1.气气气稳定扩散气稳定扩散PA1PB1PB2PA2Z1=0Z2=L A-B二元混合等摩尔逆向一维扩二元混合等摩尔逆向一维扩散,无化学反应。散,无化学反应。等摩尔逆向扩散等摩尔逆向扩散NA-NB第2页,共38页,编辑于2022年,星期四方法方法1:稳态:稳态:p=pA+pB=const c=cA+cB=const因此有:因此有:问题:求组分的摩尔通量密度。问题:求组分的摩尔通量密度。由摩尔通量密度的定义知:由摩尔通量密度
2、的定义知:0同理:NBJB第3页,共38页,编辑于2022年,星期四由Fick I:得得写成积分的形式:写成积分的形式:kmol/(m2s)对理想气体:对理想气体:故此有:故此有:第4页,共38页,编辑于2022年,星期四由由Fick II 知,质量传递过程微分方程可写为:知,质量传递过程微分方程可写为:三维:三维:稳定:稳定:有化学反应且有化学反应且D Di iconstconst:方法方法2:对于非稳定一维扩散:对于非稳定一维扩散:或或无化学反应无化学反应第5页,共38页,编辑于2022年,星期四由条件知:由条件知:边界条件:边界条件:z=z1时,时,cA=cA1z=z2时,时,cA=cA
3、2解得:组分组分A的摩尔浓度分布为的摩尔浓度分布为直线。直线。同样可得同样可得B组分的摩尔浓度组分的摩尔浓度分布也为直线。分布也为直线。第6页,共38页,编辑于2022年,星期四(12-5)由上述可知由上述可知表明沿表明沿z方向方向A组分的扩散通量组分的扩散通量NA是常数是常数理想气体状态方程理想气体状态方程第7页,共38页,编辑于2022年,星期四2.液液气稳定扩散气稳定扩散(纯液体蒸汽通过静止的表面气膜(纯液体蒸汽通过静止的表面气膜/水膜)水膜)静置的合金液中元素的烧损静置的合金液中元素的烧损问题:设有纯液体问题:设有纯液体A表面暴露于气体表面暴露于气体B中,如右图。液体中,如右图。液体A
4、能不断蒸发,向气能不断蒸发,向气体体B中扩散,气体中扩散,气体B在液体在液体A中的中的溶解溶解度可忽略不计度可忽略不计,且,且A、B不发生化学反不发生化学反应应,假设系统是绝热的,总压力保,假设系统是绝热的,总压力保持不变,求组分持不变,求组分A在气相中浓度分在气相中浓度分布及摩尔通量密度布及摩尔通量密度NA。Note:设液面表面积很大,表面高度基本不变,因此这种质量传递问题可:设液面表面积很大,表面高度基本不变,因此这种质量传递问题可以近似为以近似为稳态稳态的的一维无化学反应一维无化学反应分子传质问题。分子传质问题。第8页,共38页,编辑于2022年,星期四由条件知:由条件知:忽略气体溶解,
5、视为纯液体蒸汽单向稳定扩散忽略气体溶解,视为纯液体蒸汽单向稳定扩散液面压力恒定(绝热),令液面压力恒定(绝热),令A液体蒸汽,液体蒸汽,B空气空气液面:第9页,共38页,编辑于2022年,星期四由于液面不吸收气体,相当于液面上有速度由于液面不吸收气体,相当于液面上有速度vz的气体流动,的气体流动,抵消抵消 JB,使得:,使得:第10页,共38页,编辑于2022年,星期四写成积分形式:写成积分形式:(12-7)*第11页,共38页,编辑于2022年,星期四事实上,由摩尔通量密度的定义可得:事实上,由摩尔通量密度的定义可得:由于组分由于组分B在在A中的溶解度很小,可忽略不计,可以认为在界面处中的溶
6、解度很小,可忽略不计,可以认为在界面处NB0。亦即在整个质量传递过程中。亦即在整个质量传递过程中NB0。组分组分B是滞止气体,这种只有一个方向的扩散称为是滞止气体,这种只有一个方向的扩散称为单向扩散单向扩散。第12页,共38页,编辑于2022年,星期四稳态时:边界条件:边界条件:z=zz=z1 1时时x xA A=x=xA1A1,z=zz=z2 2时时 x xA A=x=xA2A2浓度分布浓度分布对z两次积分第13页,共38页,编辑于2022年,星期四3.气体通过固体层的扩散(渗透)气体通过固体层的扩散(渗透)(1)通过平板金属箔通过平板金属箔gasz0(c=c1)(c=c2)边界条件:z=0
7、 时,c=c1z=时,c=c2若平板面积为若平板面积为F,则单位时间,则单位时间气体渗透量为:气体渗透量为:第14页,共38页,编辑于2022年,星期四若已知板中若已知板中z 方向浓度分布和渗透量方向浓度分布和渗透量N,则,则 由由 N=J F,得,得因为气体在固体中溶解速率远大于扩散速率,所以因为气体在固体中溶解速率远大于扩散速率,所以c=平衡溶解度平衡溶解度 S两侧浓度为:两侧浓度为:由Sievert 定律得:K气体溶入金属时由分子变为原子的平衡常数气体溶入金属时由分子变为原子的平衡常数P1,p2金属板两侧气体的压力金属板两侧气体的压力利用此公式可计算扩散系数第15页,共38页,编辑于20
8、22年,星期四令令 p*=DK p*=DK 渗透渗透率率p0*单位厚度在压力差为1atm下测得的渗透标准体积流量(cm3/(cmsatm1/2)Q渗透激活能(J/mol),可查(表12-1)见 P.272 例所以有:所以有:第16页,共38页,编辑于2022年,星期四例:估算例:估算350 C和和82atm(表压)下通过储气瓶的漏损量。已知储气瓶(表压)下通过储气瓶的漏损量。已知储气瓶的直径的直径d200mm,高,高h1.8m,壁厚,壁厚d d2525mmmm。解:解:查表12-1得:p0*=2.9x10-3(cm3/(cmsatm1/2)Q35169J/mol则:第17页,共38页,编辑于2
9、022年,星期四设储气瓶壁为平板,则氢的渗漏通量为:设储气瓶壁为平板,则氢的渗漏通量为:储气瓶的表面积:储气瓶的表面积:每小时透过瓶壁的漏损量为:每小时透过瓶壁的漏损量为:第18页,共38页,编辑于2022年,星期四(2)通过圆筒壁的扩散通过圆筒壁的扩散边界条件:边界条件:r=r1 时,时,c=c1r=r2 时,时,c=c2Lrr1r2内壁内壁r1和外壁和外壁r2上的气体平衡浓度上的气体平衡浓度分别为分别为c1和和c2由质量传递过程微分方程的柱坐标形式得由质量传递过程微分方程的柱坐标形式得(针对(针对r方向得一维稳态扩散):方向得一维稳态扩散):第19页,共38页,编辑于2022年,星期四(1
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