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1、Ch11:對(duì)流傳質(zhì)本章討論對(duì)流傳質(zhì)的基本概念,平板壁面和管內(nèi)對(duì)流傳質(zhì)的求解,動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳質(zhì)的類(lèi)似性等內(nèi)容。課后學(xué)習(xí)與作業(yè):第11章的概念和例題;第11章作業(yè):11-1,11-4,11-6,11-81對(duì)流傳質(zhì)概述一、對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理1.對(duì)流傳質(zhì)的類(lèi)型對(duì)流傳質(zhì)自然對(duì)流傳質(zhì)強(qiáng)制層流傳質(zhì)強(qiáng)制湍流傳質(zhì)√√對(duì)流傳質(zhì)流體與固體壁面間的傳質(zhì)兩流體通過(guò)相界面的傳質(zhì)√強(qiáng)制對(duì)流傳質(zhì)√對(duì)流傳質(zhì)研究?jī)?nèi)容:運(yùn)動(dòng)著的流體之間或流體與界面之間的物質(zhì)傳遞問(wèn)題。2.對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理層流內(nèi)層緩沖層湍流核心cAfucA0當(dāng)流體流經(jīng)固體壁面時(shí),將形成(層流或湍流)邊界層。湍流邊
2、界層由三層組成:層流內(nèi)層、緩沖層和湍流核心。由于流體具有粘性,故緊貼壁面的一層流體,其速度為零。湍流主體層流內(nèi)層緩沖層傳質(zhì)機(jī)理:分子傳質(zhì)傳質(zhì)機(jī)理:渦流傳質(zhì)為主濃度分布:為一陡峭直線傳質(zhì)機(jī)理濃度分布:為一漸緩曲線濃度分布:為一平坦曲線分子傳質(zhì)渦流傳質(zhì)在與壁面垂直的方向上分為三層當(dāng)流體流過(guò)固體壁面時(shí),若流體與壁面處的濃度不同,則在與壁面垂直的方向上將建立起濃度梯度,該濃度梯度自壁面向流體主體逐漸減小。壁面附近具有較大濃度梯度的區(qū)域稱(chēng)為濃度邊界層。平板壁面的濃度邊界層二、濃度邊界層對(duì)于管道壁面充分發(fā)展的傳質(zhì)主體濃度進(jìn)口段長(zhǎng)度管道壁面的濃度邊界層
3、進(jìn)口段傳質(zhì)充分發(fā)展的傳質(zhì)(11-1)(1)平板邊界層厚度:(2)管內(nèi)邊界層的厚度:進(jìn)口段區(qū):與平板相同;匯合后:濃度邊界層厚度的定義三、對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)固體壁面與流體之間的對(duì)流傳質(zhì)通量可用下式描述:1.對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的定義對(duì)流傳質(zhì)通量對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)壁面濃度流體濃度kmol/(m2.s)(11-2)(1)平板邊界層:u0cA0yx0δDcAscA0?。?)管內(nèi)邊界層(充分發(fā)展后)管道壁面的濃度邊界層取—主體平均濃度,混合杯(Mixing-cup)濃度。求解對(duì)流傳質(zhì)速率NA的關(guān)鍵是確定對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)kc。kc與h、CD是的求解方法類(lèi)似。對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的求
4、解途徑(以平板為例):近貼壁面的流體層速度為零,則通過(guò)該流體層的傳質(zhì)為分子擴(kuò)散,其傳質(zhì)通量為u0cA0yx0δDcAscA0穩(wěn)態(tài)下,該質(zhì)量以對(duì)流方式傳入流體中,即式(1)與(2)聯(lián)立,得kc壁面處濃度梯度濃度分布cA=cA(x,y,z)解傳質(zhì)微分方程速度分布解運(yùn)動(dòng)方程注意:以上路線僅適合于層流傳質(zhì)。kc求解途徑求解湍流的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的兩個(gè)途徑:(1)應(yīng)用量綱分析方法并結(jié)合實(shí)驗(yàn),建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式;(2)應(yīng)用動(dòng)量傳遞、熱量傳遞與質(zhì)量傳遞的類(lèi)似性,通過(guò)類(lèi)比法求對(duì)流傳熱系數(shù)kc。2.各種對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式kc不但與壁面濃度梯度有關(guān),還與組分
5、B(或NA與NB的關(guān)系)有關(guān)。因此,不同的NA與NB關(guān)系時(shí)有不同的kc定義式。①等分子反方向擴(kuò)散的傳質(zhì)系數(shù)NA=-NB因或不同量綱的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)式比較得(11-11)②組分A通過(guò)停滯組分B擴(kuò)散NB=0不同量綱的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)式比較得其他類(lèi)型的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù),根據(jù)不同的NA與NB的關(guān)系確定。kc與的數(shù)值關(guān)系:2平板壁面上的對(duì)流傳質(zhì)一、平板壁面上層流傳質(zhì)的精確解平板層流傳質(zhì)的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)可通過(guò)理論分析法求算(精確解),亦可通過(guò)與卡門(mén)邊界層積分動(dòng)量方程類(lèi)似的質(zhì)流方程得到。平板湍流的傳質(zhì)系數(shù),則通過(guò)質(zhì)流方程方法求解。1.平壁上層流邊界層傳質(zhì)的
6、變化方程普朗特邊界層方程(4-13)熱邊界層能量方程邊界層傳質(zhì)方程(11-29)(8-12)B.C.一、平板壁面上層流傳質(zhì)的精確解(11-30)三傳類(lèi)似性比較:(1)Sc=1,uys=0,質(zhì)量傳遞與動(dòng)量傳遞完全類(lèi)似;(2)Sc≠1,uys=0,質(zhì)量傳遞與熱量傳遞完全類(lèi)似;(3)Sc≠1,uys≠0,質(zhì)量傳遞與動(dòng)、熱傳遞不完全類(lèi)似.(1)Sc=1,uys=0uys=0表示壁面?zhèn)髻|(zhì)速率較小,主體流動(dòng)通量可忽略,相當(dāng)于kc≈k0c。溶質(zhì)A在流體中的溶解度較小,可視uys≈0(2)Sc≠1,uys=0平均對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)(3)Sc≠1,uys≠0質(zhì)量
7、傳遞與動(dòng)、熱傳遞不完全類(lèi)似;其求解過(guò)程可參見(jiàn)“動(dòng)量、熱量與質(zhì)量同時(shí)進(jìn)行的傳遞過(guò)程”的有關(guān)內(nèi)容。[例]有一塊厚度為10mm、長(zhǎng)度為200mm的荼板。在荼板的一個(gè)面上有0oC的常壓空氣吹過(guò),氣速為10m/s。試求經(jīng)過(guò)10h以后,萘板厚度減薄的百分?jǐn)?shù)。在0℃下,空氣-萘系統(tǒng)的擴(kuò)散系數(shù)為5.14x10-6m2/s,荼的蒸氣壓為0.0059mmHg,固體荼的密度為1152kg/m3,臨界雷諾數(shù)Rexc=3x105。由于荼在空氣中的擴(kuò)散速率很低,可認(rèn)為uys=0。查常壓和0℃下空氣的物性值為ρ=1.293kg/m3,μ=1.75×10-5(Ns)/m
8、2計(jì)算雷諾數(shù):層流計(jì)算施密特?cái)?shù):計(jì)算平均傳質(zhì)系數(shù):計(jì)算傳質(zhì)通量:式中,cA0為邊界層外萘的濃度,由于該處流動(dòng)的為純空氣,故cA0=0;cAs為萘板表面處氣相中荼的飽和濃度,可通過(guò)萘的蒸氣壓PA