質量傳遞

[拼音]：zhiliang chuandi

[外文]：mass transfer

物質由高濃度向低濃度方向傳遞的過程，簡稱傳質。非定溫系統的質量傳遞過程總是伴隨著熱量傳遞過程。由于熱量傳遞而產生的傳質與由于質量傳遞而產生的傳熱這兩種效應是耦合的，因此傳質與傳熱現象是密切相關的。質量傳遞有分子擴散和湍流擴散兩種基本形式。

分子擴散

含有兩種以上組分的混合物，如果其濃度是不均一的，那么就要發生使濃度趨于一致的分子移動，這種現象稱為分子擴散。分子擴散速率可用費克第一定律描述：在一定的溫度和壓力下，物質的擴散通量與其濃度梯度成正比，即

式中J_A為A物質的擴散通量，單位為千摩爾／（米²·秒）〔kmol/(m²·s)〕；D_AB為組分A擴散到組分B的分子擴散系數（米²/秒）;dC_A/dy是組分A的摩爾濃度在擴散方向y的梯度；負號表明擴散是按濃度降低的方向進行的。此式與熱量傳遞的傅里葉定律在形式上是一致的。分子擴散原理適用于靜止的流體和層流流動的流體中的質量傳遞過程。

氣相中分子擴散系數可根據分子運動學說來計算。對于一定的系統來說，分子擴散系數是常數，一般為10^-4～10^-5米²／秒。液相中分子擴散系數不僅與物質的種類、溫度有關，且隨濃度而變化。濃溶液中溶質的擴散系數又與活度有關，所以只有稀溶液中溶質的擴散系數才是常數，一般為10^-4～10^-10米²／秒。固相中分子擴散系數遠小于氣相和液相中的擴散系數，但在化工、生化、冶金等過程中固相傳質也是十分重要的。固相中的擴散包括兩種類型：一種是遵從費克定律的擴散過程，一種是與固體結構有關的多孔介質內的擴散。固相中的擴散系數一般為10^-9～10^-14米²／秒。

對于非穩態的分子擴散過程，即濃度和濃度梯度是時間和空間坐標的函數，需要用費克第二定律來描述

此式適用于不可壓縮的、無內質量源的、不伴隨化學反應的系統。

湍流擴散

物質的傳遞是靠宏觀質點的位移實現的。湍流運動中的質量傳遞與湍流條件下的熱量傳遞相似。質量傳遞中，由湍流所產生的附加的橫向質量通量為

式中為湍流擴散系數（米²／秒）。

通過分子擴散和湍流擴散所傳遞的總質量通量N _A為

當流體流過壁面或界面時，與壁面或界面的質量傳遞可以類似地用對流換熱中牛頓冷卻公式的形式表示為

式中h_D為A物質的對流質交換系數；C_Af為A物質的平均濃度；為壁面或界面處A物質的濃度。

類似于對流換熱過程，對于管內湍流運動時的質交換過程，可以得到相應的準則方程式

式中為薛伍德數，d和D分別為特征尺寸和質擴散系數；Re為雷諾數；為施密特數，v為運動粘性系數。Sh類比于對流換熱中的努謝爾特數(Nu)，Sc類比于普朗特數(Pr)。

參考書目

1. C. D. Bennett，Momentum Heat and Mass Transfer，McGraw-Hill Book Co.，New York，1983.