3. Диффузия и теплопередача в гетерогенных процессах

В результате протекания гетерогенной химической реакции в разных точках реакционного пространства устанавливаются различные концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции. Градиент концентраций более подвижного реагента является причиной возникновения диффузии – самопроизвольного процесса переноса вещества в результате движения молекул до установления равновесного распределения концентраций. Хаотичное тепловое движение частиц вещества вызывает упорядоченный направленный перенос его в области, где возникают градиенты концентрации или где распределение концентраций отличается от равновесного.

Скорость диффузии зависит от плотности и вязкости среды, температуры, природы диффундирующих частиц, воздействия внешних сил и т. д. Закономерности диффузионных процессов описываются законами Фика.

Согласно первому закону Фика количество вещества А, перенесенного за счет диффузии в единицу времени через поверхность S, перпендикулярную направлению переноса, пропорционально градиенту концентрации этого вещества в данный момент времени :

(58)

Коэффициентом пропорциональности D называется коэффициентом молекулярной диффузии; его единицы измерения (длина)²(время)^-1, например см²/с.

В общем случае концентрация меняется как в пространстве, так и во времени. Изменение концентрации вещества во времени в результате молекулярной диффузии описывается вторым законом Фика:

(59)

или для диффузии в трехмерном пространстве:

(60)

Выразим скорость диффузии используя уравнение (58)

(61)

гдеС – изменение концентрации на расстоянии x =  - толщины слоя, через который проходит диффузионный поток.

Тогда:

(62)

где  - коэффициент пропорциональности (коэффициент массотдачи),

(63)

Коэффициент молекулярной диффузии является функцией молекулярных свойств того вещества, которое диффундирует, и того вещества, в котором происходит диффузия первого. Коэффициент диффузии слабо возрастает с ростом температуры и уменьшается с ростом давления. Чаще всего коэффициент D определяют по опытным данным, а также по эмпирическим или полу эмпирическим зависимостям.

3. Свободная и вынужденная конвекция. Конвективная диффузия

Конвекция (от лат. convectio - принесение, доставка), перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Различают естественную, или свободную, и вынужденную Конвекция (физич.)   Естественная Конвекция (физич.) возникает при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих или сыпучих веществ, находящихся в поле силы тяжести (или в системе, движущейся с ускорением). Вещество, нагретое сильнее, имеет меньшую плотность и под действием архимедовой силы F_A перемещается относительно менее нагретого вещества. Сила F_A = Dr·V (Dr - разность плотностей нагретого вещества и окружающей среды, V - объём нагретого вещества). Направление силы F_A, а следовательно, и Конвекция (физич.) для нагретых объёмов вещества противоположно направлению силы тяжести. Конвекция (физич.) приводит к выравниванию температуры вещества. При стационарном подводе теплоты к веществу в нём возникают стационарные конвекционные потоки, переносящие теплоту от более нагретых слоев к менее нагретым. С уменьшением разности температур между слоями интенсивность Конвекция (физич.) падает. При высоких значениях теплопроводности и вязкости среды Конвекция (физич.) также оказывается ослабленной. НаКонвекция (физич.) ионизованного газа (например, солнечной плазмы) существенно влияет магнитное поле и состояние газа (степень его ионизации и т.д.). В условиях невесомости естественная Конвекция (физич.) невозможна.

Конвективная диффузия в отличие от молекулярной обусловлена движением фаз в результате встряхивания, перемешивания, изменения температуры и других внешних воздействий. В жидкой или газообразной среде - это основной вид диффузии, осуществляемой за счет перемещающихся внутри данной фазы конвективных потоков, несущих диффундирующее вещество. Его перенос осуществляется вследствие перемещения отдельных весьма малых (элементарных) объемов жидкой или газообразной фазы, причем вещества внутри этих элементарных объемов переносятся посредством молекулярной диффузии, характерной для неподвижной фазы, которой и является элементарный объем жидкости пли газа.

Конвективная диффузия - процесс более быстрый, чем диффузия молекулярная: ее скорость в 10-12 раз выше.