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分子擴散molecular diffusion

時間：2020-03-01 來源：網(wǎng)絡(luò) 瀏覽：
簡稱擴散，在濃度差或其他推動力的作用下，由于分子、原子等的熱運動所引起的物質(zhì)在空間的遷移現(xiàn)象，是質(zhì)量傳遞的一種基本方式。以濃度差為推動力的擴散，即物質(zhì)組分從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的遷移，是自然界和工程上最普遍的擴散現(xiàn)象；以溫度差為推動力的擴散稱為熱擴散；在電場、磁場等外力作用下發(fā)生的擴散，則稱為強制擴散。
　　在化工生產(chǎn)中，物質(zhì)在濃度差的推動下在足夠大的空間中進行的擴散最為常見，一般分子擴散就指這種擴散，它是傳質(zhì)分離過程的物理基礎(chǔ)，在化學反應(yīng)工程中也占有重要地位。此外，還經(jīng)常遇到流體在多孔介質(zhì)中的擴散現(xiàn)象，它的擴散速率有時控制了整個過程的速率，如有些氣固相反應(yīng)過程的速率。至于熱擴散只在穩(wěn)定同位素和特殊物料的分離中有所應(yīng)用，強制擴散則應(yīng)用甚少。
　　斐克定律 　1855年德國人A.E.斐克提出描述分子擴散規(guī)律的基本定律。在組分A和B的混合物中，組分A的擴散速率（也稱擴散通量），即單位時間內(nèi)組分A通過垂直于濃度梯度方向的單位截面擴散的物質(zhì)量為：
　　　　　　　　　

JA=－DABΔCA

式中負號表示物質(zhì)A向濃度減小的方向傳遞;DAB為組分A在組分B中的分子擴散系數(shù);ΔCA為濃度CA的梯度。如果CA僅沿x方向變化，則簡化為：
　　　　　　　

此式類似于熱量傳遞中的傅里葉定律（見熱傳導(dǎo)）和動量傳遞中的牛頓粘性定律（見粘性流體流動）。
　　多孔介質(zhì)中的擴散 　物質(zhì)在多孔介質(zhì)中的擴散，根據(jù)孔道的大小、形狀以及流體的壓強不同分為三類情況（見圖）。

圖

①容積擴散。當毛細管孔道直徑遠大于分子平均自由程 憳，即(憳/2r)≤(1/100)（r為毛細孔道的平均半徑）時，在分子的運動中主要發(fā)生分子與分子間的碰撞，分子與管壁的碰撞所占比例很小。其擴散機理與分子擴散相同，故也稱分子擴散?？變?nèi)所含流體的分子擴散，仍可用斐克定律來計算；只需考慮多孔介質(zhì)的空隙率ε和曲折因數(shù)τ（表示因毛細孔道曲折而增加的擴散距離），對一般的分子擴散系數(shù)加以修正。此時有效擴散系數(shù)為：

②克努森擴散。如氣體壓強很低或毛細管孔徑很小，氣體分子平均自由程遠大于毛細孔道直徑，即(憳/2r)≥10，這就使分子與壁面之間的碰撞機會大于分子間的碰撞機會。此時，物質(zhì)沿孔擴散的阻力主要取決于分子與壁面的碰撞。根據(jù)氣體分子運動論，可以推導(dǎo)出克努森擴散系數(shù)：
　　　　　　　

式中r為毛細孔道的平均半徑；T為絕對溫度;mA為組分A的分子量。③過渡區(qū)擴散。物質(zhì)在毛細管中的運動情況介于上述分子擴散與克努森擴散之間，擴散系數(shù)為：
　　　　　

此式中如果1/Dkp項可以忽略，則擴散為分子擴散；如果1/DABp項可以忽略，則擴散為克努森擴散。
　　熱擴散 　溫度梯度加于靜止的氣體或液體混合物時，一種分子趨向高溫區(qū)，另一種趨向低溫區(qū)，從而在混合物內(nèi)產(chǎn)生濃度梯度，這種現(xiàn)象又稱為沙萊特效應(yīng)。在兩組分混合物中，給定組分A的熱擴散通量用下式表示：
　　　　　　

式中DT為熱擴散系數(shù)；T為絕對溫度;ρ為流體密度。熱擴散系數(shù)取決于分子的尺度和化學本質(zhì)，其值常常比分子擴散系數(shù)小得多，很少大于分子擴散系數(shù)的30％。因此，除非在溫度差很大且流體嚴格保持層流時，熱擴散在大多數(shù)的傳質(zhì)操作中并不重要。  
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