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扩散基础 扩散定义当组成不同的两相接触时,可能有某个组分自其中一相传入另一相中,这种现象称为相间质量传递,简称传质。传质是一个速率过程。严格地讲这个过程的推动力是化学位,其中包括浓度差、温度差、压力差等。但是最常见的传质过程都是因浓度差引起的,传质的阻力视情况而定。在实际计算中,常把传质阻力看成是传质系数的倒数,即这样确定传质速率的关键就是确定传质系数。质量传递的方式有分子扩散和对流扩散两种。分子扩散是在单一相中存在组分的化学梯度时,由分子运动而引起的质量传递;对流扩散是伴随流体或微团的宏观运动而产生的传质。这两种质量传递可以同时发生。在文献中,传质和扩散被不加以区别地作为同义词使用,不过在****惯上,扩散是指在分子尺度上所发生的传递现象;传质则是泛指在各种不同机理作用下所发生的传递现象,它可以在一个相内进行,但更多地是在两个相或更多相间进行。在化学工程的每一个领域都存在着扩散和传质的现象。在应用反应动力学中,一个化学反应的速率可能受到反应物扩散通过一层“膜”或者催化剂颗粒内部微孔的控制;在混合及搅拌中,产品的均匀度取决于分子扩散和湍流扩散的程度;在金属腐蚀过程中,氧的扩散可能成为一个控制因素;特别是在各种分离过程中,扩散及相间传质起着关键作用。除此之外,在环境保护、生物化工、食品工业、材料工业以及冶金工业等制造工业中都存在大量的扩散过程。 扩散分类 Bird 把扩散分成八大类别(1) 分子扩散。它是由浓度梯度而引起的扩散。当一个体系含有两个或两个以上的组分,而它们的浓度又是逐点变化的时候,各个组分都有一个朝着能减少浓度差方向流动的倾向。如果这个体系是一个静止的流体或者是在垂直于流体浓度梯度方向呈层流流动的流体,则这个传输过程被称为分子扩散。它是由于分子的随机运动而引起的,不同于在紊流流体中由于漩涡而发生的主体传递。(2) 热扩散。它是由温度梯度而引起的扩散。在二元混合物的热扩散中,一种组分的分子向热区扩散,而另一种组分的分子向冷区扩散,这种由温度梯度引起的浓度梯度现象称为 Soret 效应。相反的过程,即由于浓度梯度而引起的温度梯度现象称之为 Dufour 效应。热扩散已被成功地应用于同位素的分离。(3) 压力扩散。它是由流体静压力而引起的扩散。压力扩散是当流体混合物中存在着压力梯度而致,最明显的例子是将一个气体混合物置于高速离心机中,由于质量的不同,分子所受的力不同,重的分子将富集于离心机的外围,而轻的分子将走向低压区。这个方法已经用来分离铀同位素。(4) 强制扩散。它是由除了压力以外的外力作用于不同的分子而产生的扩散。当除了压力以外的一种外力(如电磁力)以不同的方式作用于不同的组分时,就产生了强制扩散。在电场中一个电解质的不同离子向着不同方向运动就是一个典型的例子。(5) 强制对流扩散。它是由流体的总体流动而产生,这种运动是因流体消耗外加能量而引起的。(6) 自然对流扩散。它是由流体的总体流动而产生,这种运动是因流体的密度不均匀而引起的。(7) 紊流对流扩散。它是由漩涡在流体中的运动而产生。(8) 相间扩散。它是由相界面处存在着不平衡状态而致。 Fick 定律 1855 年 Fick 提出了著名的扩散定律,它描述了在不发生反应的 A、B 二元混合物中 A 组分在等温等压条件下的扩散情况。如果流体总体以稳定