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1、第一章传质概论本讲稿第一页，共十七页1.1 概述概述认识传质认识传质我们大家都学过化学，知道化学反应过程有三个基本环节，不但需要有我们大家都学过化学，知道化学反应过程有三个基本环节，不但需要有参与反应的物质，更重要的是参与反应的物质必须接触，接触以后才能发参与反应的物质，更重要的是参与反应的物质必须接触，接触以后才能发生化学反应；而且，反应的产物必须及时的排除，及时离开反应现场，否生化学反应；而且，反应的产物必须及时的排除，及时离开反应现场，否则过高的产物浓度会影响反应的继续进行。那么这个参与反应的物质则过高的产物浓度会影响反应的继续进行。那么这个参与反应的物质 从其从其它地点它地点“赶往赶往
2、”反应地点的过程，反应产物从反反应地点的过程，反应产物从反 应地点离开、应地点离开、“排除排除”到到其它地方的过程，都是物质传输的过程，在其它地方的过程，都是物质传输的过程，在“三传三传”上，也叫质量传输过上，也叫质量传输过程。我们要想控制反应过程，我们希望的反应如何进得快一点、彻底一点，程。我们要想控制反应过程，我们希望的反应如何进得快一点、彻底一点，我们不希望的反应如何尽量慢、尽量少地发生，都需要研究物质的传输过我们不希望的反应如何尽量慢、尽量少地发生，都需要研究物质的传输过程。程。第一章第一章第一章第一章 质量传输的基本概念质量传输的基本概念质量传输的基本概念质量传输的基本概念本讲稿第二
3、页，共十七页反应物A 产物AmBn 反应物B物质浓度物质浓度本讲稿第三页，共十七页 冶金过程是一个高温化学反应过程，它充满了质量传输现象。它发生在不冶金过程是一个高温化学反应过程，它充满了质量传输现象。它发生在不同的物质之间、或不同的相之间、或同一体系的不同地点之间；冶金过程是一同的物质之间、或不同的相之间、或同一体系的不同地点之间；冶金过程是一个多相反应体系，控制反应的传质过程大多数则发生在两相物质之间个多相反应体系，控制反应的传质过程大多数则发生在两相物质之间。后面要后面要讲，因为相际之间的传质主要靠扩散。讲，因为相际之间的传质主要靠扩散。为什么这么说呢为什么这么说呢?高温反应的一个特点就
4、是：在过程的三个基本环节中，由于高温反应的一个特点就是：在过程的三个基本环节中，由于反应物质的活化能都比较高，因此化学反应环节往往不是整个过程的限制性环节。反应物质的活化能都比较高，因此化学反应环节往往不是整个过程的限制性环节。前面已篇我们讲述了传热过程。如果说传热过程影响冶金反应的进行，那么在前面已篇我们讲述了传热过程。如果说传热过程影响冶金反应的进行，那么在大多数情况下它是间接影响的，尽管许多情况下这个影响非常之大；而物质传输对大多数情况下它是间接影响的，尽管许多情况下这个影响非常之大；而物质传输对冶金反应的影响则是直接的，因此多数情况下是最重要的影响。冶金反应的影响则是直接的，因此多数情
5、况下是最重要的影响。那个环节起决定那个环节起决定作用呢？作用呢？传质限制环节传质限制环节传热限制环节传热限制环节化学反应环节化学反应环节本讲稿第四页，共十七页 也就是说，如果体系的吉布斯自由能能够降低，只要参与反应的物也就是说，如果体系的吉布斯自由能能够降低，只要参与反应的物质能够顺利地接触，只要反应产物能够顺利排出，那么，这个反应都能质能够顺利地接触，只要反应产物能够顺利排出，那么，这个反应都能顺利进行。因此，顺利进行。因此，“使反应物质能够顺利接触、排出使反应物质能够顺利接触、排出”的这个传质过程，的这个传质过程，往往是高温冶金过程的关键性和限制性环节，它决定着整个冶金过程进往往是高温冶金
6、过程的关键性和限制性环节，它决定着整个冶金过程进行的快慢，甚至决定是否能够进行，因而成为直接影响冶金过程的传输行的快慢，甚至决定是否能够进行，因而成为直接影响冶金过程的传输现象。例如溅渣护炉过程气化脱磷反应。现象。例如溅渣护炉过程气化脱磷反应。物质传输过程，也叫质量传输，简称传质。物质传输过程，也叫质量传输，简称传质。传质的机理从微观上说，是以传质的不同形式而不同，从宏观上说都是遵从热力传质的机理从微观上说，是以传质的不同形式而不同，从宏观上说都是遵从热力学第二定律，也就是学第二定律，也就是“熵增熵增”原理。原理。什么是传质？什么是传质？本讲稿第五页，共十七页 从熵增原理（热力学机率增大）说，
7、只要有浓度差存在，传质现象的发生是从熵增原理（热力学机率增大）说，只要有浓度差存在，传质现象的发生是必然的。必然的。1.2 两种质量传输方式两种质量传输方式质量传输的基本方式有两种：质量传输的基本方式有两种：分子扩散传质分子扩散传质地点地点：一般说来，扩散传质发生在固体介质中、或静止的流体介质中、或作：一般说来，扩散传质发生在固体介质中、或静止的流体介质中、或作层流流动的流动介质中。层流流动的流动介质中。机理机理：从微观上说，它是依靠物体微观粒子的随机分子运动（布朗运动）：从微观上说，它是依靠物体微观粒子的随机分子运动（布朗运动）发生的，由于熵增原理的作用，当存在浓度差时，分子从浓度高的地方运
8、动到浓度发生的，由于熵增原理的作用，当存在浓度差时，分子从浓度高的地方运动到浓度低的地方后，返回浓度高的地方的几率相对较小，从而在浓度差的作用下导致了分低的地方后，返回浓度高的地方的几率相对较小，从而在浓度差的作用下导致了分子的定向运动，使浓度趋于均匀一致，从而完成宏观的物质传输。子的定向运动，使浓度趋于均匀一致，从而完成宏观的物质传输。分子扩散传质分子扩散传质对流流动传质对流流动传质本讲稿第六页，共十七页高浓度区高浓度区低浓度区低浓度区浓度趋于平衡浓度趋于平衡类比：类比：扩散传质与传导传热、粘性动量扩散过程的背景都是微观粒子的随机运扩散传质与传导传热、粘性动量扩散过程的背景都是微观粒子的随机
9、运动，因此，扩散传质与粘性动量扩散、导热密切相关，有着类似的数学表达式：动，因此，扩散传质与粘性动量扩散、导热密切相关，有着类似的数学表达式：菲克扩散定律傅立叶导热定律牛顿粘性定律本讲稿第七页，共十七页式中，式中，jA 或或 JA表示与表示与 n 相反方向上的扩散传质通量，即单位时间内通过单位面相反方向上的扩散传质通量，即单位时间内通过单位面积的物质的量，分别为积的物质的量，分别为gm-2s-1，和，和molm-2s-1；能渗透的金属膜能渗透的金属膜不能渗透的器壁不能渗透的器壁接高压（接高压（p）容器）容器接高压（接高压（p）容器）容器气体通过金属隔膜中的扩散示意图气体通过金属隔膜中的扩散示意
10、图本讲稿第八页，共十七页 DA 是是 A 物质在介质中的扩散系数，物质在介质中的扩散系数，m2s-1，与浓度表示，与浓度表示方式无关；方式无关；A和和CA分别为分别为 A 物质的浓度，单位分别为物质的浓度，单位分别为gm-3和和molm-3；n为为A物质等浓度曲面的法线方向长度，单位为物质等浓度曲面的法线方向长度，单位为m。特点特点通常无流动情况下，分子扩散传质很缓慢，传输的物质量是通常无流动情况下，分子扩散传质很缓慢，传输的物质量是很小的。很小的。本讲稿第九页，共十七页对流传质（对流流动传质）对流传质（对流流动传质）对流对流传质传质特点特点地点地点机理机理类比类比 流向流向传质传质传质方向与
11、传质方向与流体宏观流流体宏观流动方向一致动方向一致发生在同相发生在同相流体不同浓流体不同浓度部分之间度部分之间依靠宏观的流体依靠宏观的流体流动来传输物质流动来传输物质热对流热对流非流向非流向传质传质传质的方向传质的方向与流体宏观与流体宏观流动方向垂流动方向垂直，有边界直，有边界层存在层存在多发生在不多发生在不同浓度的相同浓度的相际之间际之间相内有流动但相相内有流动但相际之间没有宏观际之间没有宏观的流动，是分子的流动，是分子扩散和对流的共扩散和对流的共同结果同结果对流对流给热给热本讲稿第十页，共十七页流向传质：流向传质：当传质方向与流体流动方向一致时，当传质方向与流体流动方向一致时，A物质在介质
12、中传质通量为：物质在介质中传质通量为：其中，其中，vA 是是A物质的流动速度，物质的流动速度，v 是流体的流动速度，显然是流体的流动速度，显然vA应该应该包括因扩散（包括湍流扩散）而造成的包括因扩散（包括湍流扩散）而造成的A物质流动速度部分物质流动速度部分vA*。本讲稿第十一页，共十七页注意：注意：式中：式中：式中：式中：本讲稿第十二页，共十七页或：或：其中包含：其中包含：非流向传质：非流向传质：当对流流动传质发生在相际之间时，传质方向一般垂直于流动方向，当对流流动传质发生在相际之间时，传质方向一般垂直于流动方向，类比于对流给热（包括湍流、层流）：类比于对流给热（包括湍流、层流）：本讲稿第十三页，共十七页1.3 关于传质通量的量纲关于传质通量的量纲本讲稿第十四页，共十七页思考题思考题1.什么是传质？什么是传质？2.质量传输的两种方式？质量传输的两种方式？3.菲克定律的数学表达式是什么？菲克定律的数学表达式是什么？4.扩散传质的特点、机理？扩散传质的特点、机理？5.对流传质的特点机理？对流传质的特点机理？6.对流传质的流向传质与非流向传质对流传质的流向传质与非流向传质认识钢铁生产流程认识钢铁生产流程本讲稿第十五页，共十七页