Главная | Обратная связь

Молекулярная диффузия

 

В потоке идут два вида массопереноса - молекулярный и конвективный.

Молекулярная диффузия – переход распределяемого вещества в неподвижной среде из внутренних слоев данной (первой) фазы к поверхности раздела фаз и, пройдя ее, распределение по всему объему другой фазы, находящейся в контакте с первой. Она является следствием теплового движения молекул (ионов, атомов), которому оказывают сопротивление силы внутреннего трения.

Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика:

 

dМ= -DdFdτдс /дп (7.10)

 

Для всей поверхности F диффузии первый закон Фика выразится как

 

М =-DFτдс /дп (7.10а)

 

где D-коэффициент молекулярной диффузии; F - поверхность, нормальная к направлению диффузии; дс/дп- градиент концентраций вещества на единицу длины пути п диффундирующего вещества; знак минус связан с уменьшением градиента концентраций дс/дп по длине пути диффузии.

Коэффициент молекулярной диффузии D зависит от природы диффундирующего вещества. Поэтому он не связан с динамикой процесса и характеризует способность вещества проникать в какую-либо среду. Найдем его размерность из выражения (7.10а):

 

[D]= [м²/с ]

 

откуда следует, что коэффициент молекулярной диффузии D показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном единице. Коэффициент молекулярной диффузии D является аналогом коэффициента температуропроводности α.

Значения D находят по справочникам или рассчитывают. Коэффициент диффузии зависит от температуры (увеличивается с повышением температуры) и для газов - от давления (с увеличением давления D _г снижается).

Для газовой среды D _г ≈ 1 см²/с, для конденсированной (жидкой) среды

D _ж ≈ 1 с/сут, откуда следует, что молекулярная диффузия в жидкостях, а тем более в твердых телах - процесс очень медленный.

Конвекция и массоотдача

Конвективный перенос (конвективная диффузия) характеризуется перемещением (переносом) вещества движущимися частицами потока в условиях турбулентного движения фаз. Конвективный перенос вещества под действием турбулентных пульсаций иногда называют турбулентной диффузией.

Конвективный массоперенос - процесс переноса вещества при движении жидкости или газа. Этот процесс происходит как бы механически - макрообъемными частицами жидкостного или газового потока.

Массоотдачу, так же как и конвекцию, подразделяют на естественную и вынужденную, или принудительную. При естественной массоотдаче движение жидкости происходит вследствие разности плотностей в разных точках жидкости, а при вынужденной - вследствие затраты энергии на движение потока извне-с помощью насоса, мешалки и т.п. Очевидно, что естественная массоотдача- процесс медленный и в технике встречается редко, но часто является сопутствующим процессом вынужденной массоотдачи.

По аналогии с эмпирическим законом охлаждения Ньютона (или уравнением теплоотдачи) уравнение массоотдачи имеет следующи й вид:

 

dМ = β (х_гр - х ) dFdτ (7.11)

 

где β - коэффициент пропорциональности-коэффициент массоотдачи.

При установившемся процессе для всей поверхности F массоотдачи при τ = 1 с уравнение (8) принимает вид

 

М = β F (х_гр-х). (7.11а)

 

Для фазы Ф_у уравнение массоотдачи будет аналогично уравнению (7.11а), но с соответствующей заменой концентраций.

Размерность коэффициента массоотдачи: [β] = [М/ F (у-у_гр )] = [м /с].

Коэффициент массоотдачи, в отличии от коэффициента массопередачи, характеризует скорость переноса вещества внутри фазы конвекцией и молекулярной диффузией одновременно.