材料化學(xué) 第三章 傳質(zhì)

1、.第三章 傳質(zhì)引言：1。傳質(zhì)。傳質(zhì)（Mass Transfer）又稱“物質(zhì)傳遞”。傳質(zhì)屬于擴(kuò)散，它與擴(kuò)散的區(qū)別在于：傳質(zhì)多對應(yīng)于多相反應(yīng)中的擴(kuò)散，如液-氣反應(yīng)、氣-固反應(yīng)、固-液反應(yīng)、固-固反應(yīng)、不互溶的液-液反應(yīng)等。 2傳質(zhì)系數(shù)。對如圖*的情況，擴(kuò)散到中，設(shè)在表面的濃度為，離開表面距離大于處濃度不變且為（>）。則擴(kuò)散通量。定義“傳質(zhì)系數(shù)”，則 式3-1傳質(zhì)系數(shù)的單位是。擴(kuò)散通量可以用高濃度與低濃度之差乘以傳質(zhì)系數(shù)來計算，而這濃度差就是傳質(zhì)的驅(qū)動力。 3濃度邊界層。發(fā)生傳質(zhì)的物質(zhì)在反應(yīng)表面的濃度和離開表面很遠(yuǎn)處的濃度是不同的。設(shè)物質(zhì)A在表面與B反應(yīng)，則濃度隨離開表面的距離增大而降低，表面

2、處的A 濃度應(yīng)低于無窮遠(yuǎn)處的A濃度。實(shí)際上，離開表面一定距離后，A的濃度就接近不變了。如圖*，在圖上的（，0）點(diǎn)處做曲線的切線，與的反向延長線交與一點(diǎn)，則此點(diǎn)到縱軸的距離為“濃度邊界層”厚度，它表示：當(dāng)離開表面的距離超過后，我們就認(rèn)為濃度不再隨距離增大而降低了?；蛘哒f，濃度隨距離的降低只發(fā)生在厚度內(nèi)。這個和我們在介紹“傳質(zhì)系數(shù)”時用到的是一個概念，這樣可以簡化問題。當(dāng)然，“濃度邊界層”厚度不是固定的，它還隨反應(yīng)液體或氣體的流速、密度、粘度和溫度而變化，這也很好理解：我們把一塊方糖放入水中，在糖的每一個于水接觸的表面，就有上述的“濃度邊界層”。當(dāng)我們攪拌水時，相當(dāng)于加快了水的流動速度，則因此下降

3、，增加，由式3-1可知傳質(zhì)通量增大，傳質(zhì)速度加快。 4控速環(huán)節(jié)。假設(shè)氣態(tài)的A 擴(kuò)散到固態(tài)的C表面，與C反應(yīng)生成氣態(tài)的B。這一反應(yīng)實(shí)際上由三個步驟組成：1）A 擴(kuò)散到C 表面；2）A反應(yīng)生成B；3）B離開C 表面擴(kuò)散到氣相中。若用 分別表示A，B，C物質(zhì)從本體中擴(kuò)散到界面的擴(kuò)散通量（或稱傳質(zhì)通量），那么顯然只有當(dāng)=時，才能保證擴(kuò)散到界面的A恰好反應(yīng)完，且生成的B也恰好能運(yùn)輸走，A和B都不會在界面上堆積；三個步驟中哪一個速度比較慢，哪一個就控制了總反應(yīng)的速度，稱此步為“控速環(huán)節(jié)”。當(dāng)有控速環(huán)節(jié)時，A或B會在界面上有堆積。§3。1 液體中的擴(kuò)散系數(shù) 為了研究液體中擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散系數(shù)，我們定

4、義： R擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)的半徑；（） 擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)的穩(wěn)定的移動速度；（） 液體的粘度。（）某一個擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)受力。由，故淌度。又， 式3-1-1此式又叫做“斯托克斯愛因斯坦方程式”，它描述了質(zhì)點(diǎn)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)與液體性質(zhì)、質(zhì)點(diǎn)本身性質(zhì)和外部溫度的關(guān)系。為簡化表示擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系，一般寫成：的形式。一般情況下，液體中的擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量級在范圍內(nèi)，而固體中的擴(kuò)散系數(shù)數(shù)量級要小得多，在范圍內(nèi)。§3。2 氣體中的擴(kuò)散系數(shù) 定義：為氣體分子的最可幾速率，其中的為氣體分子質(zhì)量； 為氣體分子直徑； P為氣體壓強(qiáng)； 為氣體分子的平均自由程。 對體系中只有一種氣體的情況，由氣體的擴(kuò)散系數(shù)，將式中的系數(shù)代入，得：，

5、即。 對A和B的混合氣體，同理，也有：。 從以上的式子中可以看出，溫度升高、氣體壓強(qiáng)下降、氣體分子質(zhì)量增加，都可以使氣體擴(kuò)散系數(shù)增大。§3。3 氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散 氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散要受到孔壁的約束，表現(xiàn)出來的實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)小于上節(jié)我們討論過的氣體中的擴(kuò)散系數(shù)。我們用來表示A和B的混合氣體在多孔物質(zhì)中的有效擴(kuò)散系數(shù)，并用表示多孔介質(zhì)的氣孔率（0<<1），用表示多孔介質(zhì)的“曲折度”（一般1，直孔的=1），那么有： 式3-3-1 氣孔率可用來計算。 下面我們討論多孔介質(zhì)中氣孔大小對氣體擴(kuò)散系數(shù)的影響：設(shè)為氣孔半徑，為擴(kuò)散的氣體分子直徑。若，則氣體分子多與孔壁碰撞，即，此

6、時的表觀擴(kuò)散系數(shù)；若，則應(yīng)同時考慮氣體分子與孔壁的碰撞和與其他氣體分子的碰撞，此時的表觀擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)不同的氣孔情況求出表觀擴(kuò)散系數(shù)并代入式3-3-1中，便可得到對應(yīng)的有效擴(kuò)散系數(shù)。 以一個例子來說明：用厚度為的鉑黑片提純氫氣，如圖*。在左面上：（下劃線表示固溶），平衡常數(shù)，則?？紤]氫氣在鉑黑中是穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，即，故擴(kuò)散通量： .若中間不是金屬片，而是多孔的分子篩，則在左面上氫氣濃度不是由固溶反應(yīng)求得，而是由公式確定，其中的為氣體的摩爾數(shù)。因?yàn)闅怏w濃度，故擴(kuò)散通量：，這里的就是氫氣在多孔分子篩中的有效擴(kuò)散系數(shù)。由于分子篩原理就是通過分子與孔壁的碰撞濾去氣體分子半徑大的氣體種類，故對應(yīng)于的情況，應(yīng)該用來計算。§3。4 多相反應(yīng)中的傳質(zhì)過程 如圖*，假設(shè)氣相A擴(kuò)散到界面生成氣相的B，A和B的傳質(zhì)系數(shù)分別為和，則A和B的傳質(zhì)通量分別為：在界面上的反應(yīng)寫作：，由，代入上兩式中，得： 式3-4-1假設(shè)：1）界面反應(yīng)速度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散，即擴(kuò)散是控速環(huán)節(jié)； 2）整個反應(yīng)是在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，=。那么：，即總擴(kuò)散通量： 式3-4-2也可將定義為“總傳質(zhì)系數(shù)”，則。 對于類型的三相反應(yīng)，同樣可以推