冶金传输原理（第2版）质量传输第21章.ppt

第21章相间传质21.1相际平衡与平衡浓度21.2相间对流传质基本模型21.3双膜理论与相际稳态综合传质21.4具有化学反应的相际稳态综合传质21.5具有传热过程的相际稳态综合传质21.6小结21.1相际平衡与平衡浓度冶金过程多数为多相反应，而传质过程往往为其限制性环节。在实际过程中，因冶金过程多半是在高温下进行，它很容易达到相际平衡，这时过程进行的快慢，决定于传质的速率。它遵守质量传输规律，取决于与平衡状态偏离的程度和接触方式。相际平衡时，其浓度有一定的差值，通常取决于系统的温度和压强的大小。式中，cI、cII分别为I相和II相的浓度(c为不同的浓度单位)；k为常数，它决定于平衡时的温度；n为指数，它决定于平衡反应，例如H2在界面上的平衡反应为H=1/2H2，这时n=1/2。21.1相际平衡与平衡浓度上述平衡关系亦可通过图来表示如I相为气相，Ⅱ相为液相，对应于cIf的有cIIf；反之，对应于cII的有cI。同时，对应于cIw的有cⅡw。若某组分的浓度在气相中高于平衡时的浓度，即ccⅡ，则该组分将由气相转入液相；如果ccⅡ，则该组分由液相转入气相。在气、液两相上，组分的浓度该自动保持平衡状态。因此，作为传质过程来说，cIIf与cIf及cI与cII具有相同的意义。21.2相间对流传质基本模型21.2.1边界层内的传质模型(I)——薄膜理论(有效边界层)当流体流过物体表面时，靠近表面处形成一层很薄的流体边界层(即层流底层)，它属于层流流动，在这一薄层中，流体与表面之间的传质过程是依靠分子扩散进行的，而在边界层之外，来流浓度均匀，不存在浓度梯度。其情况如图所示。图中：cw—物体表面的浓度，cf为流体的浓度，cfcw21.2相间对流传质基本模型由于这种边界层的边界很难确定，故提出“薄膜理论”来简化。它具有以下特征：将浓度的变化假定集中在薄膜内，其变化具有线性规律，而在薄膜以外则没有浓度变化，这一薄膜称为“有效浓度边界层”，以δc?表示。它是在cw点上对实际浓度变化曲线cy作切线，与浓度cf线相交，其y坐标即为δc?值。这时传质流密度为：式中，传质系数(薄膜传质系数kd)为：有效边界层内仍有液体流动，有效边界层内的传质不是单纯的分子扩散一种方式。有效边界层概念实质是将边界层中湍流传质和分子扩散等效的处理为厚度为δc?边界层中的分子扩散。21.2相间对流传质基本模型21.2.2边界层内传质模型(II)——渗透理论渗透理论认为：传质过程是不稳定的扩散过程，流体核心区的微团穿过薄层，不断地向物体表面迁移，并与之接触，然后又回到流体核心区。在接触过程中，由于流体的浓度与物体表面的浓度不同，从而使微团的浓度发生变化，而在表面不断更新情况下，产生质量的传输。从统计学的观点，可将无数微团与表面之间的质量转移，看作流体穿过边界层对表面的不稳态扩散过程。21.2相间对流传质基本模型设流体边界层为一维，其微分方程式为：对通解求导，并确定出z方向上在z=0处的浓度梯度，并代入上式，得：其边界条件为：当t=0时，在z≥0处，c＝cf当t0时，在z=0处，c＝cω；z=∞处，c=cf其通解为：通过界面的传质流密度为：如果接触时间为t，其平均质量传输流密度为：21.2相间对流传质基本模型传质系数为：[例题21-1]在钢水底部鼓入氮气，设气泡为球冠形，其曲率半径r为0.025cm。氮在钢水中的扩散系数D=5×10-4cm2/s，若气-液界面氮的浓度为0.011%，钢水内部氮的浓度为0.001%。试根据溶质渗透理论计算氮在钢水中的传质流密度。设钢水密度为7.1g/cm3。解：根据溶质渗透理论，传质系数可由求出；这时，传质系数与扩散系数的关系，不是像薄膜理论那样的线性一次方关系，而是非线性的0.5次方关系。21.2相间对流传质基本模型式中，t为气泡与钢液的平均接触时间，故，对于球冠形气泡，其上浮速度，于是，传质流密度渗透-表面更新模型自从提出后，获得了较快的发展。溶质渗透模型与表面更新模型的最大区别在于前者假定表现更新过程每隔tc时间周期地发生一次，而后者则认为更新是随时间进行的过程。该模型从最初应用于吸收液相内的传质过程，后来又应用于伴有化学反应的吸收过程，现已应用于液-固和液-液界面的传质过程。21.2相间对流传质基本模型该模型从最初应用于吸收液相内的传质过程，后来又应用于伴有化学反应的吸收