分子扩散
简称扩散,在浓度差或其他推动力的作用下,由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象,是质量传递的一种基本方式。以浓度差为推动力的扩散,即物质组分从高浓度区向低浓度区的迁移,是自然界和工程上最普遍的扩散现象;以温度差为推动力的扩散称为热扩散;在电场、磁场等外力作用下发生的扩散,则称为强制扩散。
在化工生产中,物质在浓度差的推动下在足够大的空间中进行的扩散最为常见,一般分子扩散就指这种扩散,它是传质分离过程的物理基础,在化学反应工程中也占有重要地位。此外,还经常遇到流体在多孔介质中的扩散现象,它的扩散速率有时控制了整个过程的速率,如有些气固相反应过程的速率。至于热扩散只在稳定同位素和特殊物料的分离中有所应用,强制扩散则应用甚少。
斐克定律 1855年德国人A.E.斐克提出描述分子扩散规律的基本定律。在组分A和B的混合物中,组分A的扩散速率(也称扩散通量),即单位时间内组分A通过垂直于浓度梯度方向的单位截面扩散的物质量为:
JA=-DABΔCA
式中负号表示物质A向浓度减小的方向传递;DAB为组分A在组分B中的分子扩散系数;ΔCA为浓度CA的梯度。如果CA仅沿x方向变化,则简化为:
多孔介质中的扩散 物质在多孔介质中的扩散,根据孔道的大小、形状以及流体的压强不同分为三类情况(见图)。
①容积扩散。当毛细管孔道直径远大于分子平均自由程 憳,即(憳/2r)≤(1/100)(r为毛细孔道的平均半径)时,在分子的运动中主要发生分子与分子间的碰撞,分子与管壁的碰撞所占比例很小。其扩散机理与分子扩散相同,故也称分子扩散。孔内所含流体的分子扩散,仍可用斐克定律来计算;只需考虑多孔介质的空隙率ε和曲折因数τ(表示因毛细孔道曲折而增加的扩散距离),对一般的分子扩散系数加以修正。此时有效扩散系数为: 


热扩散 温度梯度加于静止的气体或液体混合物时,一种分子趋向高温区,另一种趋向低温区,从而在混合物内产生浓度梯度,这种现象又称为沙莱特效应。在两组分混合物中,给定组分A的热扩散通量用下式表示:

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