扩散系数计算7497.pdf

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1、扩散系数 费克定律中的扩散系数代表单位浓度梯度下的扩散通量，它表达某个组分在介质中扩散的快慢，是物质的一种传递性质。一、气体中的扩散系数 气体中的扩散系数与系统、温度和压力有关，其量级为5210/ms。通常对于二元气体、B 的相互扩散，在 B 中的扩散系数和 B 在 A 中的扩散系数相等，因此可略去下标而用同一符号表示，即ABBADDD。表给出了某些二元气体在常压下（51.013 10 Pa）的扩散系数。对于二元气体扩散系数的估算，通常用较简单的由富勒（Fuller）等提出的公式：1.751/31/3 2110.0101()()ABABTMMDPvv （）式中，D、B 二元气体的扩散系数，2/

2、ms；P气体的总压，Pa；T气体的温度，；AM、BM组分、B 的摩尔质量，/kg kmol；Av、Bv组分、B 分子扩散体积，3/cmmol。一般有机化合物可按分子式由表查相应的原子扩散体积加和得到，某些简单物质则在表种直接列出。表 7 某些二元气体在常压下（51.013 10 Pa）的扩散系数 系统 温度/K 扩散系数/(10-5m2/s)系统 温度/K 扩散系数/(10-5m2/s)H2空气 273 甲醇空气 273 He空气 317 乙醇空气 273 O2空气 273 正丁醇空气 273 Cl2空气 273 苯空气 298 H2O空气 273 甲醇空气 298 298 H2CO 273

3、332 H2CO2 273 NH3空气 273 H2N2 273 CO2空气 273 294 298 H2NH3 298 SO2空气 293 HeAr 298 表 原子扩散体积和分子扩散体积 原子扩散体积 v/(cm3/mol)分子扩散体积 v/(cm3/mol)原子扩散体积 v/(cm3/mol)分子扩散体积 v/(cm3/mol)C He S CO H Ne CO2 O Ar N2O N Kr NH3 芳香族环 Xe H2O 杂环 H2 SF6 F D2 Cl2 CL N2 Br2 Br O2 SO2 I 空气 注：已列出分子扩散体积的，以后者为准。式的相对误差一般小于。二、液体中的扩散系

4、数 由于液体中的分子要比气体中的分子密集得多，因此也体的扩散系数要比气体的小得多，其量级为9210/ms。表给出了某些溶质在液体溶剂中的扩散系数。表 溶质在液体溶剂中的扩散系数（溶质浓度很低）溶质 溶剂 温 度 K 扩散系数/(10-9m2/s)溶质 溶剂 温 度 K 扩散系数/(10-9m2/s)NH3 水 285 乙酸 水 298 288 丙酸 水 298 O2 水 291 HCl(9kmol/m3)水 283 298 m3)283 CO2 水 298 苯甲酸 水 298 H2 水 298 丙酮 水 298 甲醇 水 288 乙酸 苯 298 乙醇 水 283 尿素 乙醇 285 298

5、水 乙醇 298 正丙醇 水 288 KCl 水 298 甲酸 水 298 KCl 1,2乙二醇 298 乙酸 水 283 对于很稀的非电解质溶液（溶质溶剂），其扩散系数常用 Wilke-Chang 公式估算：150.6()7.4 10TBABAMTDV 2/ms （）式中，ABD溶质在溶剂中的扩散系数（也称无限稀释扩散系数），2/ms；T溶液的温度，；溶剂的粘度，.Pas；BM溶剂的摩尔质量，/kg kmol；溶剂的缔合参数，具体值为：水；甲醇；乙醇；苯、乙醚等不缔合的溶剂为；AV溶质 A 在正常沸点下的分子体积，3/cmmol，由正常沸点下的液体密度来计算。若缺乏此密度数据，则可采用 Ty

6、n-Calus 方法估算：1.0480.285cVV，其中cV为物质的临界体积（属于基本物性），单位为3/cmmol，见表 7。表 常见物质的临界体积 VC 物 质 VC /(cm3/mol)物 质 VC /(cm3/mol)物 质 VC/(cm3/mol)甲烷 CH4 氯仿 CHC13 氨 NH3 乙烷 C2H6 甲醇 CH40 118 氮气 N2 丙烷 C3H8 203 乙醇 C2H60 一氧化氮 NO 正丁烷 C4H10 255 正丙醇 C3H80 219 二氧化氮 NO2 正己烷 C6H14 370 异丙醇 C3H80 220 氧化二氮 N2O 乙烯 C2H4 丙酮 C3H60 209

7、 二氧化硫 S02 丙烯 C3H6 181 甲乙酮 C4H8O 267 三氧化硫 SO3 氯乙烯 C2H3C1 169 乙酸 C2H4O 171 氯化氢 HC1 乙炔 C2H2 乙酸乙酯 C4H80 286 氢气 H2 笨 C6H6 259 氯 C14 硫化氢 H2S 甲苯 C7H8 316 溴 Br2 一氧化碳 CO 氯苯 C6H5C1 308 碘 I2 155 二氧化碳 CO2 环己烷 C6H12 308 氧气 02 二硫化碳 CS2 160 四氯化碳 CCl4 臭氧 03 水 H2O 从（）可见，溶质在溶剂中的扩散系数ABD与溶质在溶质中的扩散系数BAD不相等，这一点与气体扩散系数的特性

8、明显不同，需引起注意。对给定的系统，可由温度1T下的扩散系数1D推算2T下的2D（要求1T和2T相差不大），如下：21211()TDDT （）三、生物物质的扩散系数 表给出了一些生物溶质在水溶液中的扩散系数。表 75 生物溶质在水溶液中的扩散系数 溶 质 温度/0C 扩散系数（m2/s）摩尔质量/(kg/kmol)尿素 20 12010-9 25 10-9 甘油 20 10-9 甘氨酸 25 10-9 辛酸钠 25 10-10 牛血清清蛋白 25 10-11 67500 尿素酶 25 10-11 482700 20 10-11 大豆蛋白 20 10-11 361800 脂（肪）氧合酶 20 1

9、0-11 97400 人血纤维蛋白原 20 10-11 339700 人血清清蛋白 20 10-11 72300-球蛋白（人）20 10-11 153100 肌酸酐 37 10-9 蔗糖 37 10-9 20 10-9 对于水溶液中生物溶质扩散系数的估算，当溶质相对于分子质量小于 1000 或其分子体积小于 5003/cmmol时，可用式（）；否则，宜用式（）（Polson 方法），151/39.40 10()ABATDM2/ms （）其中，镕基的粘度，.Pas；AM生物溶质的摩尔质量。四、四、固体中的扩散系数 表给出了某些物质在固体中的扩散系数。对于气体在固体中的扩散，一般是用渗透率MP（p

10、ermeability）来代替扩散系数 D，两者间的关系为 MABPDS （）其中，为气体溶质在固相中的溶解度，/AAScp，单位为3m溶质（标准状态）（3m固体.atm）。表 76 固体中的扩散系数和渗透率 溶质 A 固体 B T/K DAB/(m2/s)溶解度 S*渗透率 Pm*H2 硫化橡胶 298 10-9 10-10 O2 298 10-9 10-10 N2 298 10-9 10-10 CO2 硫化氯丁橡胶 290 10-9 10-10 300 10-9 H2 聚乙烯 298 10-12 O2 303 10-12 N2 303 10-12 O2 尼龙 303 10-12 N2 303 10-12 H2O 蜡 306 10-10 H2 Fe 293 10-13 Al Cu 293 10-34 *S 的单位：m3溶质（标准状态）（m3固体atm）；*PM的单位：m3溶质（标准状态）（sm2atm/m）。