分离过程中的动力学

关于分离过程中的动力学第1页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三3.1分子迁移——费克第一扩散定律3.2流体的迁移与扩散3.3带的迁移——费克第二扩散定律3.4有流存在下的溶质输运第2页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三体系在平衡过程中：定向迁移非定向扩散外场作用梯度：压力梯度浓度梯度电位梯度温度梯度内部分子间作用化学势梯度溶质分子随机运动使溶质从高浓度区域向四周低浓度区域扩散混合分离第3页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三分离过程动力学研究的内容物质在输运过程中的规律，即分离体系中组分迁移和扩散的基本性质和规律第4页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三3.1分子迁移——费克第一扩散定律物质的输运过程（传质过程）：指在适当的介质中，在化学势的驱动下，物质分子发生相对位移的过程。物质的扩散运动：在浓度梯度驱动下，物质分子自发输运的过程。均是物质的分子迁移所以，分子迁移的表征是研究分离过程动力学的基础研究方法：通过物质的机械运动和分子统计学间的相互关系了解迁移过程规律。第5页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三分子运动规律：费克第一扩散定律机械运动规律可用牛顿定律描述J(x)——表示沿x轴方向的流(密度):

单位时间通过单位面积的物质量(mol)A——比例系数dy/dx——指x轴方向上的梯度(浓度、温度等)物理含义：（如y代表浓度时）扩散系数一定时，单位时间扩散通过单位截面积的物质的量（mol）与浓度梯度成正比，负号表示扩散方向与浓度方向相反。第6页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三3.2流体的迁移与扩散

溶质在流体（液体、气体或超临界流体）中迁移和扩散：1.流体本身不流动时，溶质在流体中因浓度梯度而迁移（或扩散）或因其他场的作用而定向迁移。2.流体本身流动时（如色谱分离），流体黏度决定流动流体速度。第7页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三由剪切作用产生的流体速度梯度流动相固定相yxdy非均匀线速度v每层流速不同，上层移动较快黏度的作用，使上层趋缓，下层趋快，为保持各层流速不变，需加一个力F。单位面积上感受到的力F称为剪切应力Fs，其大小与y轴方向上的流体流速梯度dv/dy成正比。A为流层面积，cm2，η为流体黏度系数：单位面积上使相距1cm的另一平行流层产生1cm/s流速差的剪切应力，g/（cm·s）第8页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三rr′起始状态经过一段时间后毛细管内流体迁移状态管中央流速最快离管壁越近，阻力越大，流速越慢流经毛细管L的流体总流量Q：一定压力梯度Δp，流体流量随毛细管半径r增大而呈四次方倍增加，即内径越大，越利于流体流动。第9页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三3.3带的迁移——费克第二扩散定律费克第一扩散定律是假设溶质浓度c在扩散方向上不随时间变化。实际上，却是变化的，可以由费克第二扩散定律计算：一维扩散：多维扩散：略组分浓度在流方向上随时间变化的输运方程第10页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三3.4有流存在下的溶质输运前面讨论中，只考虑溶质的迁移，没有考虑介质（气体或溶剂）的流动。实际上，很多分离体系（如色谱），载带溶质的介质处流动状态。有流：指溶质迁移过程中介质也在流动（迁移）。有流存在时的溶质流密度：在无流的公式中加入介质流速第11页，讲稿共13页，2023年5月2日，星期三思考题简单讨