Chapter 12

정상 상태 분자 확산

이진 혼합물에서의 정상 상태 분자 확산은 두 가지 경계 조건에 따라 구분된다. 등몰 역확산(equimolar counter-diffusion, EMD)에서는 농도 분포가 선형이고, 일방 확산(unimolecular diffusion, UMD, 정체막 모델)에서는 정체 성분의 존재로 인해 농도 분포가 대수(logarithmic) 곡선이 된다.

Equimolar Counter-Diffusion Unimolecular Diffusion Stagnant Film Log-Mean Pressure Drift Flux

등몰 역확산 (Equimolar Counter-Diffusion)

등몰 역확산은 $N_A = -N_B$인 경우이다. 증류탑에서 응축과 증발이 동시에 일어나는 상황이 대표적이다. 이 조건에서 순 몰 유동(bulk flow)이 영이 되어 대류 보정항이 사라지고, 농도 분포는 순수한 Fick 확산에 의한 선형 프로파일이 된다.

$$ N_A = \frac{D_{AB}}{L}(C_{A1} - C_{A2}) = \frac{D_{AB}\,P}{RTL}(y_{A1} - y_{A2}) \quad \text{(EMD)} $$
$$ C_A(z) = C_{A1} + (C_{A2} - C_{A1})\frac{z}{L} \quad \text{(linear profile)} $$

일방 확산 / 정체막 모델 (UMD)

일방 확산(UMD)은 한 성분만 이동하고 다른 성분은 정체(stagnant)하는 경우이다($N_B = 0$). 액체 표면에서의 증발이 전형적인 예이다. 정체 성분 B가 확산을 방해하므로 A의 순 플럭스에 대류 보정(drift flux)이 추가되어, 농도 분포가 EMD의 선형이 아닌 대수 곡선이 된다. 이때 대수 평균 농도(log-mean)가 중요한 역할을 한다.

$$ N_A = \frac{D_{AB}\,c}{L}\ln\frac{1 - x_{A2}}{1 - x_{A1}} = \frac{D_{AB}\,P}{RTL}\frac{(y_{A1}-y_{A2})}{y_{B,\text{lm}}} \quad \text{(UMD)} $$
$$ y_{B,\text{lm}} = \frac{y_{B2} - y_{B1}}{\ln(y_{B2}/y_{B1})} \quad \text{(log-mean mole fraction of B)} $$
$$ x_A(z) = 1 - (1 - x_{A1})\!\left(\frac{1-x_{A2}}{1-x_{A1}}\right)^{z/L} \quad \text{(logarithmic profile)} $$
Q1. 물이 공기 중으로 증발할 때, 공기는 정체 성분이다. 물 표면의 수증기 몰분율이 $y_{A1}=0.02$이고 자유 흐름에서 $y_{A2}=0$이면, 이 상황은 EMD에 가까운가 UMD에 가까운가?
증발에서 공기(B)는 액체에 녹지 않으므로 $N_B = 0$인 UMD이다. 그러나 $y_A = 0.02 \ll 1$이므로 $y_{B,\text{lm}} \approx 0.99$이고, UMD 보정 $1/y_{B,\text{lm}} \approx 1.01$로 EMD와의 차이가 1% 수준이다. 슬라이더에서 $x_{A,s}$를 높이면 이 차이가 커지는 것을 확인할 수 있다.

EMD vs UMD 비교 시각화

아래 그림에서 EMD(등몰 역확산)의 선형 농도 분포와 UMD(일방 확산)의 대수 농도 분포를 비교할 수 있다. 슬라이더로 총 압력, 막 두께, 표면 몰분율을 변경하고, 두 모드를 토글하여 차이를 관찰하라. $x_{A,s}$가 커질수록 UMD와 EMD의 차이가 뚜렷해진다.

Interactive Figure 12.1 정체막 확산: EMD vs UMD 농도 프로파일
P (atm) 1.0 atm
δ (mm) 5.0 mm
xA,s 0.50
NA (EMD) --
NA (UMD) --
UMD/EMD --
EMD (선형)
UMD (대수 곡선)
Q2. 표면 몰분율 $x_{A,s}$를 0.1에서 0.9로 올렸을 때, UMD/EMD 플럭스 비는 어떻게 변하는가?
UMD/EMD = $1/y_{B,\text{lm}}$이다. $x_{A,s}$가 높아지면 $y_B = 1 - y_A$가 작아지고 $y_{B,\text{lm}}$이 감소하므로 비율이 커진다. 슬라이더를 움직여 확인해 보라: $x_{A,s} = 0.1$일 때 비율 ≈ 1.05이고, $x_{A,s} = 0.9$일 때는 비율이 크게 증가한다. 이는 정체 성분이 적을수록 대류 보정이 커짐을 보여준다.