化工原理-21分子擴散現(xiàn)象與費克定律

7.1

概述第七章傳質(zhì)與分離過程概論7.2.1分子傳質(zhì)（擴散）7.2

質(zhì)量傳遞的方式與描述一、分子擴散現(xiàn)象與費克定律

1.分子擴散現(xiàn)象由于分子的無規(guī)則熱運動而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象—分子傳質(zhì)。分子傳質(zhì)又稱為分子擴散，簡稱為擴散分子傳質(zhì)在氣相、液相和固相中均能發(fā)生播放動畫31：分子擴散現(xiàn)象描述分子擴散過程的基本定律—費克第一定律。kmol/(m2·s)費克第一定律

DAB—組分A在組分B中的擴散系數(shù)，m2/s一、分子擴散現(xiàn)象與費克定律

2.費克(Fick)定律及

DBA—組分B在組分A中的擴散系數(shù)，m2/s對于兩組分擴散系統(tǒng)一、分子擴散現(xiàn)象與費克定律微分得故此得3.總體流動現(xiàn)象示例：用水吸收空氣中的氨一、分子擴散現(xiàn)象與費克定律設(shè)由A、B組成的二元氣體混合物，其中A為溶質(zhì)，可溶解于液體中，而B不能在液體中溶解。這樣，組分A可以通過氣液相界面進入液相，而組分B不能進入液相。由于A分子不斷通過相界面進入液相，在相界面的氣相一側(cè)會留下“空穴”。根據(jù)流體連續(xù)性原則，混合氣體會自動地向界面遞補，這樣就發(fā)生了A、B兩種分子并行向相界面遞補的運動，這種遞補運動就形成了混合物的總體流動。相界面氣相（A＋B）液相S主體流動一、分子擴散現(xiàn)象與費克定律二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散設(shè)由A、B兩組分組成的二元混合物中，組分A、B進行反方向擴散，若二者擴散的通量相等，則稱為等分子反方向擴散。1.等分子反方向擴散氣相相界面－－－－－－－－－－－液相易揮發(fā)組分NANB難揮發(fā)組分蒸餾操作對于等分子反方向擴散NA=－NB二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散因此得N=NA+NB=0故此得等分子反方向擴散(1)z=z1邊界條件cA=cA1(pA=pA1）(2)z=z2cA=cA2(pA=pA2）二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散求解得當擴散系統(tǒng)處于低壓時，氣相可按理想氣體混合物處理，則二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散據(jù)此得設(shè)由A、B兩組分組成的二元混合物中，組分A為擴散組分，組分B為不擴散組分（稱為停滯組分），組分A通過停滯組分B進行擴散。吸收操作液相相界面－－－－－－－－－－－－－氣相溶質(zhì)NANB＝0惰性組分B2.一組分通過另一停滯組分的擴散二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散對于組分A通過停滯組B的擴散NB=0整理得

二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散N=NA+NB=NA(1)z=z1邊界條件cA=cA1(pA=pA1）(2)z=z2cA=cA2(pA=pA2）二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散一組分通過另一停滯組分的擴散二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散求解可得或由于擴散過程中總壓不變二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散令據(jù)此得組分

B

的對數(shù)平均分壓二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散比較

—反映了總體流動對傳質(zhì)速率的影響相差飄流因數(shù)二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散因為故～～總體流動影響無總體流動二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散1.等分子反方向擴散參照氣體中的等分子反方向擴散過程，可寫出—組分A在溶劑B中的擴散系數(shù)，m2/s三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散參照氣體中的一組分通過另一停滯組分的擴散過程，可寫出2.一組分通過另一停滯組分的擴散或三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴散其中停滯組分B對數(shù)平均物質(zhì)的量濃度停滯組分B對數(shù)平均摩爾分數(shù)四、擴散系數(shù)1.氣體中的擴散系數(shù)

通常，擴散系數(shù)與系統(tǒng)的溫度、壓力、濃度以及物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。對于雙組分氣體混合物，組分的擴散系數(shù)在低壓下與濃度無關(guān)，只是溫度及壓力的函數(shù)。氣體擴散系數(shù)可從有關(guān)資料中查得，某些雙組分氣體混合物的擴散系數(shù)列于附錄一中。氣體中的擴散系數(shù)，其值一般在

m2/s范圍內(nèi)。四、擴散系數(shù)估算氣體擴散系數(shù)經(jīng)驗公式福勒公式

—組分A、B的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；—組分A、B的分子擴散體積，cm3/mol。四、擴散系數(shù)簡單分子的擴散體積物質(zhì)v/（cm3/mol）物質(zhì)v/（cm3/mol）H27.07CO

18.90D26.70CO2

26.90He2.88N2O

35.90N217.90NH3

14.90O216.60H2O

12.70air20.10（CCl2F2）114.80Ar16.10(SF6)

69.70四、擴散系數(shù)原子的擴散體積元素

/（cm3/mol）元素

/（cm3/mol）C

16.50(Cl)

19.5H

1.98(S)

17.0O

5.48芳香環(huán)–20.2(N)

5.69雜環(huán)–20.2四、擴散系數(shù)由福勒公式可知，氣體擴散系數(shù)與成正比、與成反比。根據(jù)該關(guān)系，可得

—、

下的擴散系數(shù)，m2/s；—、

下的擴散系數(shù)，m2/s。四、擴散系數(shù)2.液體中的擴散系數(shù)液體中溶質(zhì)的擴散系數(shù)不僅與物系的種類、溫度有關(guān)，而且隨溶質(zhì)的濃度而變。液體中的擴散系數(shù)可從有關(guān)資料中查得，某些低濃度下的二組元液體混合物的擴散系數(shù)列于附錄一中。液體中的擴散系數(shù)，其值一般在

m2/s范圍內(nèi)。四、擴散系數(shù)估算液體擴散系數(shù)經(jīng)驗公式威爾基公式

—溶劑

B

的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；—溶質(zhì)在正常沸點下的分子體積，cm3/mol?！軇?/p>

B

的黏度，Pa·s；—溶劑

B

的締合因子；四、擴散系數(shù)常見溶劑的締合因子溶劑名稱水甲醇乙醇苯非締合溶劑締合因子2.61.91.51.01.0四、擴散系數(shù)某些物質(zhì)在正常沸點下的分子體積物質(zhì)分子體積/（cm3/mol）物質(zhì)分子體積/（cm3/mol）空氣29.9

H2O18.9H214.3H2S32.9O225.6NH325.8N231.2NO23.6Br253.2N2O36.4Cl248.