Лекция №5

Конвективная диффузия. Массоотдача.

Конвективной диффузией называется массоперенос, обусловленный перемещением мольных объемов компонентов, составляющих смесь.

Конвективная диффузия всегда сопровождается молекулярной диффузией. Совместный перенос молекулярной и конвективной диффузией называют конвективным массообменном, или массоотдачей.

Процесс массоотдачи i-го компонента в кг описывается уравнением

где – коэффициент массообмена i^го компонента, м/с; – массовые концентрации рассматриваемого компонента в единице объема на 2-х изоконцентрационных поверхностях, кг/м³; – площадь изоконцентрационной поверхности, м²; – время процесса, с.

Массоотдача между газовой средой и поверхностью твердого тела

В соответствии с 1-ым законом Фика

,

где – соответственно массовая концентрация i-го компонента у поверхности твердого тела и в объеме среды (газа), кг/м³.

Это уравнение называется уравнением массоотдачи.

Уравнение конвективной диффузии в прямоугольных координатах

В соответствии со 2-ым законом Фика это уравнение для i-го компонента будет иметь следующий вид

(5.1)

где – субстанциональная (полная) производная.

Для стационарных процессов

(5.2)

В (5.1) и (5.2)

–оператор Лапласа.

Уравнение массопереноса при наличии концентрационной диффузии, термодиффузии и бародиффузии

Поскольку тоже, что идля i-го газа это уравнение с учетом (5.1), (4.3) и (4.4) принимает вид

,

где – плотность i^го компонента, кг/м³.

Диффузия газов в твердых телах

Механизм проницаемости газа сквозь твердое тело можно представить как процесс растворения газа в материале со стороны высокого давления, диффузии в направлении убывающей концентрации и последующего выделения газа на стороне низкого давления.

Удельным потоком диффузии газа в твердом теле называется количество газа, диффундирующее в единицу времени через единичную площадку в направлении, перпендикулярном этой площадке.

Уравнения для случая диффузии газов в твердых телах имеют вид:

–1-ый закон Фика;

–2-ой закон Фика,

где – удельный поток диффузии газа в твердом теле, кг/(м²·с); – коэффициент диффузии газа в твердом теле, м²/с;

Коэффициент диффузии в твердом теле зависит от температуры твердого тела следующим образом:

,

где – константа диффузии, зависящая от свойств системы «твердое тело – газ»; Е_д – энергия активации диффузии для данной системы «твердое тело – газ»; j – коэффициент, зависящий от характера взаимодействия газа с твердым телом, равный единице для систем с молекулярным взаимодействием (неметаллы – газы) и числу атомов в молекуле газов, растворяющихся в твердых телах (обычно металлы); R_унив. – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура твердого тела.

Газовыделение из обрабатываемых в вакууме изделий

Общее количество газа м³·Па, выделяющегося из обрабатываемых в вакууме изделий и поступающего в вакуумную систему можно оценить по формуле

где – масса обрабатываемых в вакууме изделий, кг;– удельное газовыделение из материала обрабатываемых изделий, м³·Па/кг (для каждого материала определяется опытным путем).

Поток газов м³·Па/с, поступающих в вакуумную систему рассчитывается из выражения

где – длительность процесса вакуумной обработки, с;– коэффициент неравномерности процесса газовыделения во времени (обычно=1,5…3,0).