動(dòng)量熱量質(zhì)量傳遞類比

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1、動(dòng)量熱量質(zhì)量傳遞類比[關(guān)鍵詞]動(dòng)量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞類比 化工原理把各種單元操作按理論基礎(chǔ)歸為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞三種傳遞過程，三傳類比就是對(duì)流體流動(dòng)中的三大傳遞過程采用類比的形式進(jìn)行研究分析，這是化工原理闡釋“三傳”的主要方法。一、傳遞本質(zhì)類比（一）動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞是由于流體層之間速度不等，動(dòng)量將從速度大處向速度小處傳遞。（二）熱量傳遞熱量傳遞是流體內(nèi)部因溫度不同，有熱量從高溫處向低溫處傳遞。（三）質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞是因物質(zhì)在流體內(nèi)存在濃度差，物質(zhì)將從濃度高處向濃度低處傳遞。在流體中的這三種傳遞現(xiàn)象，多是由于流體質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。若流體內(nèi)部有溫度差存在，當(dāng)有動(dòng)

2、量傳遞的同時(shí)必有熱量傳遞；同理，若流體內(nèi)部有濃度差存在時(shí)，也會(huì)同時(shí)有質(zhì)量傳遞。若沒有動(dòng)量傳遞，則熱量傳遞和質(zhì)量傳遞主要是因分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的現(xiàn)象，其傳遞速率較緩慢。要想增大傳遞速率，需要對(duì)流體施加外功，使它流動(dòng)起來。二、基礎(chǔ)定律數(shù)學(xué)模型類比（一）動(dòng)量傳遞的牛頓粘性定律根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，內(nèi)摩擦力f與粘度μ、平板面積a，以及速度梯度有如下關(guān)系：令則式中：τ——內(nèi)摩擦應(yīng)力，pa；μ——流體的粘度，pa·s；——法向速度梯度，1/s。上式所表示的關(guān)系稱為牛頓粘性定律。它的物理意義是流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)摩擦應(yīng)力與法向速度梯度成正比。上式可改寫為，為單位體積流體的動(dòng)量，為動(dòng)量梯度。因此，剪應(yīng)

3、力可看作單位時(shí)間單位面積的動(dòng)量，稱為動(dòng)量傳遞速率，與動(dòng)量梯度成正比。（二）熱量傳遞的傅立葉定律物系內(nèi)的溫度梯度是熱傳導(dǎo)的推動(dòng)力。傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，它表示熱傳導(dǎo)的速率與溫度梯度和垂直于熱流方向的導(dǎo)熱面積成正比。即或圖2：溫度梯度與傅立葉定律式中：q——傳熱速率，w；λ——導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·k）或w/（m·℃）；a——導(dǎo)熱面積，垂直于熱流方向截面積；——溫度梯度，℃/m。式中的負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度方向相反（三）質(zhì)量傳遞的費(fèi)克擴(kuò)散定律當(dāng)物質(zhì)a在介質(zhì)b中發(fā)生擴(kuò)散時(shí)，任一點(diǎn)處物質(zhì)a的擴(kuò)散速率（通量）與該位置上a的濃度梯度成正比，即圖3:兩種氣體相互擴(kuò)散式中：ja——

4、組分a的擴(kuò)散速率（擴(kuò)散通量）；——組分a擴(kuò)散方向z上濃度梯度；dab——比例系數(shù)，也稱組分a在a、b雙組分混合物系中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。式中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散沿著組分濃度降低的方向進(jìn)行，與濃度梯度方向相反。上式稱為費(fèi)克定律。它是描述物質(zhì)分子擴(kuò)散現(xiàn)象的基本規(guī)律。以上三個(gè)定律從公式的形式結(jié)構(gòu)上，和理論的分析方法上都很相似三、有效膜模型類比（一）對(duì)流傳熱的有效膜模型如圖所示，當(dāng)流體作層流流動(dòng)時(shí)，在垂直于流體流動(dòng)方向上的熱量傳遞，主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。而當(dāng)液體為湍流流動(dòng)時(shí)，無論流體主體的湍動(dòng)程度多大，緊鄰壁面處總有一薄層流體沿著壁面作層流流動(dòng)（即層流底層），同理，此層內(nèi)在垂直于流體流動(dòng)

5、方向上的熱量傳遞，仍是以熱傳導(dǎo)方式為主。由于大多數(shù)流體的導(dǎo)熱系數(shù)較小，熱阻主要集中在層流底層中，因此，溫度差也主要集中在該層中。在層流底層與湍流主體之間存在著一個(gè)過渡區(qū)，過渡區(qū)內(nèi)的熱量傳遞是傳導(dǎo)與對(duì)流的共同作用。而在湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈混合，可以認(rèn)為無傳熱阻力，即溫度梯度為零。在處理上，將有溫度梯度存在的區(qū)域稱為傳熱邊界層即有效膜層內(nèi)，傳熱的主要熱阻即在此層中。（二）對(duì)流傳質(zhì)的有效膜模型氣體呈湍流流動(dòng)，但靠近兩相界面處仍有一層層流膜，厚度以zg′表示，湍流程度愈強(qiáng)烈，則zg′愈小，層流膜以內(nèi)為分子擴(kuò)散，層流膜以外為渦流擴(kuò)散。溶質(zhì)a自氣相主體向界面轉(zhuǎn)移時(shí)，由于氣體作湍

6、流流動(dòng)，大量漩渦所起的混合作用使氣相主體內(nèi)溶質(zhì)的分壓趨于一致。分壓線幾乎為水平線，靠近層流膜層時(shí)才略向下彎曲。在層流膜層內(nèi)，溶質(zhì)只能靠分子擴(kuò)散而轉(zhuǎn)移，沒有渦流的幫助，需要較大的分壓差才能克服擴(kuò)散阻力，故分壓迅速下降。仿照對(duì)流傳熱的處理方法，可以認(rèn)為由氣相主體到界面的對(duì)流擴(kuò)散速率等于通過厚度為zg的膜層的分子擴(kuò)散速率。厚度zg的膜層稱為有效層流膜或虛擬膜。把單相內(nèi)的傳質(zhì)阻力看作全部集中在一層虛擬的流體膜層內(nèi)。四、物性系數(shù)類比（一）粘度系數(shù)表征流體粘性的物理性質(zhì)稱為粘滯系數(shù)，簡稱粘度。物理意義：當(dāng)時(shí)，單位面積上所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力大小。液體的粘度隨溫度升高而減小，氣體的粘度則隨溫度升

7、高而增大。壓強(qiáng)變化時(shí)，液體的粘度基本不變；氣體的粘度隨壓強(qiáng)增加而增加的很少。粘度的數(shù)據(jù)來源有數(shù)據(jù)手冊(cè)、實(shí)驗(yàn)測(cè)定和經(jīng)驗(yàn)公式。（二）導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)即熱導(dǎo)率在數(shù)值上等于溫度梯度為1℃/m，單位時(shí)間內(nèi)通過單位導(dǎo)熱面積的熱量。導(dǎo)熱系數(shù)的大小表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的一個(gè)重要的物性參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值和物質(zhì)的種類(固、液、氣)、組成、結(jié)構(gòu)、溫度及壓力有關(guān)。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，也可以從手冊(cè)資料查得。（三）分子擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的物性常數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力。同一種物質(zhì)的