1、过程流体力学 /Process Fluid Mechanics第三篇 流动传质当物系中的某组分存在浓度梯度时，将发生该组分由高浓度区向低浓度区转移，此过程即为质量传递，简称传质，质量传递与动量传递、热量传递一起，构成化学工程上最基本的三种传递过程，简称三传。第一章 质量传递概论与传质微分方程质量传递概论一、混合物组成的表示方法（一）质量浓度与物质的量浓度1.质量浓度单位体积混合物中所含某组分 i的质量称为该组分的质量浓度，以符号 表示，单位为 。组分 i的质量浓度定义式为式中 混合物中组分 i的质量；V混合物的体积。若混合物由 N个组分组成，则混合物的总质量浓度 为过程流体力学 /Proces
2、s Fluid Mechanics第一章 质量传递概论与传质微分方程2.物质的量浓度单位体积混合物所含某组分 i的物质的量称为该组分的物质的量浓度，以符号 表示，单位为 。组分 i的物质的量浓度的定义式为式中 混合物中组分 i的物质的量。若混合物由 N个组分组成，则混合物的总物质的量浓度 C为质量浓度与物质的量浓度的关系为式中 混合物的平均摩尔质量；组分 i的摩尔质量。（二）质量分数与摩尔分数1.质量分数混合物中某组分 i的质量占混合物总质量的分数称为该组分的质量分数，以符号 表示，组分 i的质量分数的定义式为过程流体力学 /Process Fluid Mechanics第一章 质量传递概论与
3、传质微分方程混合物中某组分 i的物质的量占混合物总物质的量的分数称为该组分的摩尔分数，以符号 x 表示，组分 i的摩尔分数的定义式为式中 G混合物的总质量。若混合物由 N个组分组成，则有2.摩尔分数式中 n混合物的总的物质的量。若混合物由 N个组分组成，则有应予以指出，当混合物为气液两相体系时，常以 表示液相中的摩尔分数， 表示气相中的摩尔分数。组分 A的质量分数与摩尔分数的互换关系为过程流体力学 /Process Fluid Mechanics第一章 质量传递概论与传质微分方程二、质量传递的基本方式质量传质的方式可大致分为分子传质和对流传质。（一）分子传质1.分子扩散现象分子传质又称为分子扩
4、散，一般简称为扩散，它是由于分子的无规则热运动而产生的物质传递现象。分子传质在气相。液相和固相中均能发生。如图 9-1所示，表示了分子扩散的过程。上述扩散过程将一直进行到整个容器中 A、 B两种物质的浓度完全均为为止。此时，通过任一截面物质 A、 B的净扩散通量为零，但扩散仍在进行，只是左、右两方向物质的扩散通量相等，系统处于扩散的动态平衡中。2.费克第一定律描述分子扩散的通量或速率的基本定律为费克第一定律。对于由组分 A和组分 B组成的混合物，如不考虑主体流动的影响，则根据费克第一定律，由浓度梯度所引起的扩散通量可表示为过程流体力学 /Process Fluid Mechanics第一章 质
5、量传递概论与传质微分方程式中， 组分 A的摩尔扩散通量；组分 A在扩散方向的浓度梯度；上式表示在总质量浓度不变的情况下，由于组分 A的质量浓度梯度 所引起的分子传质通量，负号表明扩散方向与浓度梯度方向相反，即分子扩散朝着浓度梯度降低的方向进行。若以摩尔量为基准，则费克第一定律可写为式中， 组分 A的扩散质量通量；组分 A在扩散方向的质量浓度梯度；组分 A在组分 B中的扩散系数。费克第一定律只适用于由分子无规则热运动而引起的扩散过程。（二）对流传质对流传质是指运动流体与固体表面之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递过程，对流传质的速率不仅与质量传递的特性因素有关，而且与动量传递的动力因素等
6、密切相关。过程流体力学 /Process Fluid Mechanics第一章 质量传递概论与传质微分方程描述对流传质的基本方程，与描述对流传热的基本方程相对应，可采用下式表述式中 对流传质的摩尔通量；组分 A在界面处的浓度与流体主体浓度之差；对流传质系数。上式称为对流传质速率方程，其中的对流传质系数 是以浓度差定义的。浓度差还可以采用其它单位。上式级适用于流体作层流运动也适用于湍流运动，只不过在两种情况下 的数值不同而已。 的确定方法与对流传热系数 h的确定方法类似。三、传质的速度与通量（一）主体流动现象在进行分子传质的同时，各组分的分子微团常处于运动状态，该现象即所谓的主体流动。如图 9-
7、2所示，设由 A和 B组成的二元气体混合物，其中 A为溶质，可溶解于液体，而 B不能在液体中溶解。这样，组分 A可以通过气液相界面进入液相，而组分 B不能进入液相。过程流体力学 /Process Fluid Mechanics第一章 质量传递概论与传质微分方程由于 A分子不断通过相界面进入液相，在相界面的气相一侧，会留下 “空穴 ”，根据流体连续性原则，混合气体便会自动地向界面递补，这样就发生了 A、 B两种分子并行向相界面递补的运动，这种递补运动就形成了混合物的主体流动。很显然，通过气液相界面组分 A的通量应等于由分子扩散所形成的组分 A的通量与由主体流动所形成的组分 A的通量之和。此时，由
8、于组分 B不能通过相界面，当组分 B随主体流动运动到相界面后，又以分子扩散形式返回气相主体中。（二）传质的速度在多组分系统的传质过程中，各组分均以不同的速度运动。如图 9-3所示， 、 分别表示组分 A、 B的实际移动速度，称为绝对速度； 为混合物的移动速度，称为主体流动速度；而 和 为分子的不规则热运动引起的速度，称为扩散速度，各速度的关系如图所示。则因此可得， “绝对速度扩散速度 +主体流体速度 ”，该式表达了由于传质所形成的各种速度之间的关系。过程流体力学 /Process Fluid Mechanics第一章 质量传递概论与传质微分方程（三）传质的通量单位时间内通过垂直于传质方向上单位
9、面积的物质量称为传质通量。传质通量等于传质速度与浓度的乘积，由于传质的速度的表示方法不同，故传质的通量亦有不同的表示方法。1.以绝对速度表示的传质通量（总传质通量）设二元混合物的总质量浓度为 ，组分 A、 B的质量浓度分别为 、 ，则以绝对速度表示的组分 A、 B的总质量通量为混合物的总质量通量为由此得式中 u质量平均速度；组分 A的总质量通量；组分 B的总质量通量；n混合物的总质量通量。上式为质量平均速度的定义式。过程流体力学 /Process Fluid Mechanics第一章 质量传递概论与传质微分方程又设二元混合物的总摩尔浓度为 C ，组分 A、 B的摩尔浓度分别为 、 ，则以绝对速
10、度表示的组分 A、 B的总摩尔通量为混合物的总摩尔通量为因此得式中 摩尔平均速度；组分 A的总摩尔通量；组分 B的总摩尔通量；N混合物的总摩尔通量。上式为摩尔平均速度的定义式。2.以扩散速度表示的传质通量（扩散通量）由于平均速度 u或 为混合物中各组分共有的速度，可作为衡量各组分扩散速度的基准。对于组分 A，其扩散速度定义为或过程流体力学 /Process Fluid Mechanics第一章 质量传递概论与传质微分方程扩散速度与浓度的乘积称为以扩散速度表示的传质通量，即式中 组分 A的扩散质量通量；组分 B的扩散质量通量；组分 A的扩散摩尔通量；组分 B的扩散摩尔通量。对于两组分系统有式中 j混合物的扩散质量通量；J混合物的扩散摩尔通量。3.以主体流动速度表示的传质通量（主体流动通量）由于主体流动速度和平均速度均表示混合物共有速度，则即主体流动速度和平均速度相等，故下面以平均速度表示主体流动速度。
