ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Диффузия в пористых материалах из "Процессы и аппараты химической технологии Том1 Явления переноса макрокинетика подобие моделирование проектирование" В пористых материалах диффузия имеет важное значение при протекании гетерогенного катализа, сушке, адсорбционных и других процессах, где используются пористые гранулы или экстру-даты твердых катализаторов, адсорбентов и т. д. При этом различают три механизма обычная (объемная) молекулярная диффузия в порах, кнудсеновская диффузия в порах и поверхностная [5]. [c.330] В системах с крупными порами в отсутствие поверхностной диффузии при относительно высокой плотности газа или тогда, когда поры заполнены жидкостью, происходит обычная молекулярная диффузия под действием градиента концентрации (химического потенциала). [c.330] Обычно для пористых катализаторов, адсорбентов и т. д. ту больше, чем для насыпных слоев твердых гранул, и изменяется в широких пределах (от 1,5 до 10) в зависимости от материала и способа его приготовления [12]. [c.331] Если плотность газа или размеры пор малы, то длина свободного пробега молекул становится сопоставима или больше характерного размера пор и соударения молекул со стенками происходят чаше, чем соударения молекул друг с другом. В этом случае проявляется тормозящее влияние стенок на процесс переноса массы. Оно связано с тем, что после столкновения со стенками поры, в действительности являющимся кратковременной адсорбцией, молекулы начинают двигаться в произвольном направлении, в том числе и против градиента концентрации. Такой вид диффузии, называемый кнудсеновской, наблюдается только в газах. [c.331] Кнудсеновский диффузионный поток (5.14) через все сечение поры пропорционален кубу диаметра поры. Важно отметить, что при кнудсеновской диффузии поток отдельного вида молекул в мелких порах зависит не от общего давления или от присутствия молекул других видов, а только от градиента концентрации (парциального давления) молекул этого отдельного вида. [c.331] Заметим, что поток Jк = —Г к эф С, определяемый через Ск э, относится к площади сечения самого пористого тела, а не пор [12]. Коэффициент гук учитывает извилистость пор и изменение их сечения по длине и, вообще говоря, отличается от коэффициента извилистости т), используемого в (5.13), из-за различий механизмов обычной и кнудсеновской диффузии. [c.332] Параметром, определяющим переход от обычной диффузии к кнудсеновской, является число Кнудсена Кн = /Л — отнощение характерного диаметра пор с к длине свободного пробега молекул Л. Обычно Кн 2 1 для диффузии в мелких порах или при малых давлениях это условие не выполняется. [c.332] Для проявления кнудсеновской диффузии необходимо, чтобы длина свободного пробега молекулы Л была значительно больше диаметра поры 1. Так, например, для пор диаметром 200 А и меньше средний свободный пробег молекул при давлении в 0,1 МПа в десять раз больше диаметра поры, следовательно, в таких порах кнудсеновская диффузия преобладает до давления, не превышающего 1 МПа. [c.332] Следует иметь в виду, что при кнудсеновской диффузии закон Фика в его обычном понимании не применим. [c.332] Для некоторого размера пор существует такой диапазон молекулярных концентраций, в котором одновременно происходит как молекулярная, так и кнудсеновская диффузия. Такая область концентраций называется переходной. [c.332] Здесь Вэф — отношение потока вещества к градиенту его концентрации независимо от конкретного механизма диффузии. Мольные потоки компонентов и J2 в (5.18) определены относительно пористого тела, а не относительно плоскости с нулевым результирующим мольным потоком. Отношение 7г//1 положительно для прямоточной диффузии и отрицательно для противоточной. [c.333] Молекулы, адсорбированные на поверхности твердого тела, также могут обладать подвижностью. Перенос вещества в результате движения молекул по поверхности твердого тела (как правило, внутри пор), называемый поверхностной диффузией, происходит в направлении уменьшения поверхностной концентрации и может в некоторых случаях составлять значительную часть от общего потока вещества, особенно в материалах с большой удельной поверхностью пор. [c.333] Условия, при которых поверхностная диффузия становится существенной, сильно зависят от физико-химических и адсорбционных свойств рассматриваемой системы твердое тело — газ. Обычно считают, что поперечное сечение пор, доступное для диффузии газа, фактически не уменьшается вследствие адсорбции. Когда степень заполнения поверхности далека от соответствующей монослою (парциальное давление газа существенно ниже давления паров), для описания поверхностной диффузии обычно применяют зависимости типа закона Фика. Константа пропорциональности -Оа называется коэффициентом поверхностной диффузии, при этом она может зависеть от поверхностной концентрации. [c.333] При рассмотрений поверхностной диффузии обычно считается, что адсорбированный слой и газовая фаза в порах находятся в равновесии, а г/. При нормальной температуре и малых степенях заполнения поверхности для коэффициента Ds типичны пределы. . 10 м /с, относящиеся к случаям, когда поверхностная диффузия вызвана физической адсорбцией таких газов как водород, азот, криптон, двуокись углерода, метан, этан, пропан и бутан на пористых стеклах, активированном угле, силикагеле и промышленных катализаторах, в которых использованы носители типа окиси алюминия. В случае хемосорбции значения соответствующих коэффициентов поверхностной диффузии значительно уменьшаются [12]. [c.334] Следует иметь ввиду, что многие пористые материалы обладают сложной структурой пор, характеризуемой столь широким распределением их по размерам, что в разных порах могут иметь место разные механизмы диффузионного переноса. Более подробно вопросы диффузии в пористых материалах рассмотрены в [12, 16]. [c.334] Вернуться к основной статье