扩散速率与传质通量的解释

扩散速率与传质通量的解释 (一）费克第一定律 冶金工程分子扩散的速度用单位时间内通过单位截面积物质的量表示，称为分子扩散通量。对于两组分物质，某种组分的分子扩散速度(扩散通量)与该组分在扩散方向上的浓度梯度成正比，此关系在1855年由费克在实验的基础上提出，称为费克定律，其数学表达式为： JA=-Dab*+%(1-4-1) 式中Ja混合物中某处组分A在z方向上的分子扩散通量，kmC*m-2?s-1； *+%一一混合物中该处组分A在z方向上的浓度梯度，kmoPm-4； dz Dab--组分A在介质B中的扩散系数，/?s-1矿山设备www.yejinye.com。 因为组分A是沿着浓度降低的方向扩散，为使沿此方向的扩散通量Ja为正值，式的右侧加负号。 对于组分B，同样可以写出它的扩散通量J)为： JB=-(1-4-2) 式中诸符号与式(1-4-1)中的符号意义相同。 对于气体，摩尔浓度可通过分压表示。 对于静止的A，B两组分的混合气体，设其中存在浓度差，则A，B两组分将产生分子扩散。就混合气体中某一截面而言，两组分扩散通量分别为：JA__^ABdJZ(1-4-5) 它们的扩散方向恰好相反。若气体为理想气体，其中各处温度与压力相同，则气体中各处的总浓度cT均相等： 可见，对于两组分气体混合物，组分A在介质B中的扩散系数等于组分B在介质A中的扩散系数。 对于液体混合物，因为通常总浓度C(不是常数，所以组分的扩散系数不存在与上类似的关系。 (二)传质通量 费克定律形式上与动量传递中的牛顿粘性定律和热量传递中的傅立叶导热定律类似，在气体中三者的传递机理也很类似。与动量传递和热量传递类似，费克定律表述的扩散通量也是以流体中某截面为基准的分子扩散通量。实际上讨论相间传质过程时，常常以设备中某个截面为基准（即以空间中的某个截面为基准)来分析通过此截面的传质通量，这里除了按费克定律计算的分子扩散通量外，还包括流体整体流动提供的通量。 图1-4-1传质通量I的传质通量为： (三)扩散系数 扩散系数是表征物质扩散传递性质的重要参数，它表示物质分子扩散速度的大小，扩散系数大，表示分子扩散快。扩散系数的单位可根据式（1-4-5)确定，与热传导中的导热系数和流体的运动粘度相同，炼钢设备