第十一章-对流传质.pdf

11 对流传质 11.0 本章主要内容导读 本章讨论对流传质问题，包括对流传质的基本概念和强制对流传质两个部分(图11-1) 。 图11-1 第十一章主要内容导读 教材中和本章有关的内容包括：第十六章。 1 11.1 对流传质基本概念 11.1.1 对流传质机理 如第九章所述，发生在运动着的流体与固体表面之间，或互不相溶的两种运动流体之间的质量传输现 象，称为对流传质。 按流体的作用方式，对流传质可以分为两类：一类是流体作用于固体壁面，即流体与固体壁面间的传质，例如水流过可 溶性固体壁面，溶质自固体壁面向水中传输；另一类是一种流体作用于另一种流体，两流体通过相界面进行传质，即相际传 质，例如用水吸收混在空气中的氨气时，氨气向水中的传输。 对流传质过程同时受到两种作用：湍流扩散(turbulent diffusion)作用/涡流扩散(eddy diffusion)作用/对流 传输作用，在对流条件下流体质点不断运动、混合，将物质由一处带到另一处；分子扩散作用，由于流体 各处存在着浓度差，流体质点以分子扩散方式传输，浓度梯度越大的地方，分子扩散作用越显著。 下面以流体强制湍流流过固体壁面时的传质过程为例讨论对流传质机理。当流体以湍流流过固体壁面 时，在壁面附近形成湍流边界层。如第三章所述，在固体壁面垂直的方向上，湍流边界层可以分为层流底 层、过渡区和湍流核心区三部分。当流体和固体壁面进行传质时，不同区域的传质机理差别很大(图11-2) 。 在层流底层中，流体沿着壁面平行流动，在固体壁面垂直的方向上只有分子的无规则热运动，因此，固体 壁面和流体之间的质量传输以分子扩散形式进行。层流底层中的浓度梯度很大，浓度分布曲线为一陡峭直 线，浓度分布可以用费克第一定律进行求解；湍流核心区中发生强烈的旋涡运动，湍流扩散的传输作用远 大于分子扩散作用，后者的影响可以忽略不计。湍流核心区中的浓度梯度很小，浓度分布曲线较为平坦； 过渡区中，流体同时存在沿壁面方向的层流流动和旋涡运动，该区域内的质量传输同时受到分子扩散和湍 流扩散两种作用。过渡区中的浓度梯度介于层流底层和湍流核心区之间，浓度分布曲线的陡峭程度也介于 二者之间。 和对流换热类似，一般情况下可以不考虑流体流动方向上的分子扩散。 流体强制层流流过固体壁面时的传质过程中，在固体壁面垂直的方向上只存在分子扩散。 图11-2 流体和固体壁面强制湍流传质过程的机理和浓度分布 无论基于何种机理，对流传质的传质通量均可以采用下式进行计算 N  k c A c A 和对流换热系数α类似，对流传质系数k 不仅取决于流体的物理性质、传质表面的形状和布置，而且 c 和流动状态、流动产生的原因等因素密切相关，流动状态对对流传质系数的影响最显著。 和对流传热类似，根据流体流动产生的不同原因，对流传质可以分为强制对流传质和自然对流传质两类。本课程只研究 强制对流传质过程。 根据流动状态的不同，强制对流传质包括强制层流传质和强制湍流传质两类。工程上为了强化传质速率，多采用强制湍 流传质过程。 和对流换热类似，对流传质最主要的任务是确定对流传质系数k ，即寻求不同条件下对流传质系数与 c 各种影响因素之间的函数关系。通过量纲分析，这种函数关系可以转化为几种相似准数之间的函数关系， 即对流传质准数方程。 2 可以类似分子传质中的处理方法，通过引入扩散系数和湍流质量扩散系数/涡流扩散系数，建立通量和浓度的微分方程 式，寻求对流传质过程中浓度在空间的分布。工程上将这种处理方法称为“分布参数模型”，是一种微元体衡算法(教材第 十六章) ；将采用对流传质系数的方法称为“集总参数模型”，是一种总体衡算的方法。本课程仅仅介绍第二种处理方法。 11.1.2 对流传质数学描述 11.1.2.1 对流传质微分方程组 和对流传热类似，对流传质对应的微分方程组