Основные законы массопередачи

Существует два основных вида процессов массопередачи:

1. в системах со свободной границей раздела фаз (газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость- жидкость);

2. в системах с неподвижной поверхностью контакта фаз (системы газ-твердое тело, пар-твердое тело, жидкость-твердое тело).

Законы, которым подчиняется перенос распределяемого вещества из одной фазы в другую, являются:

1) закон молекулярной диффузии;

2) закон массоотдачи;

3) закон массопроводности.

Процесс переноса вещества из одной фазы в другую можно представить.

Концентрация распределяемого вещества в фазе Ф_у выше равновесной, следовательно вещество переходит . Распределяемое вещество в фазе Ф_у переносится к поверхности раздела фаз, а в фазе Ф_х от этой поверхности. В обеих фазах перенос осуществляется путем молекулярной диффузии (т.е. диффузии молекул через слой носителя), и конвективной диффузией (т.е. движущимися частицами носителя и распределяемого вещества).

В каждой фазе различают:

– ядро потока (основная масса);

– пограничный слой, образующийся у поверхности раздела фаз.

В ядре перенос вещества осуществляется преимущественно турбулентными пульсациями и как мы видим из рисунка концентрация распределенного вещества в ядре практически постоянна. В пограничном слое происходит затухание турбулентности, что обусловлено более резким изменением концентрации по мере приближения к поверхности раздела. И чем ближе к поверхности, тем скорость переноса будет меньше, т.к. скорость будет определятся скоростью молекулярной диффузии. Поэтому (обратите внимание на рисунок) в этой области наблюдается наиболее резкая, близкая к линейному, изменение концентрации вплоть до границы раздела фаз.

Перенос вещества в ядре фазы (где наблюдается интенсивное перемешивание), осуществляется преимущественно конвективной диффузии.

Перенос вещества в пограничном слое осуществляется путем конвективной и молекулярной диффузии, причем чем ближе к поверхности раздела фаз конвективные потоки затухают и возрастает роль молекулярной диффузии.

I Молекулярная диффузия – перенос вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением молекул, атомов, ионов, коллоидных частиц. Кинетика переноса описывается первым законом Фика, согласно, которому масса вещества продиффундировавшего за время dτ через элементарную поверхность F (нормальную к направлению диффузии), пропорционально градиенту концентраций этого вещества.

(14)

Знак минус указывает на то, что молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшения концентрации распределяемого компонента.

– градиент концентраций в направлении диффузии;

dF – элементарная площадка, через которую проходит диффузия, м²;

dM – количество продиффундировавшего вещества, кг/с;

D – коэффициент молекулярной диффузии.

Физический смысл D: показывает какое количество вещества переносится в единицу времени через единицу поверхности массопереноса при градиенте концентраций равном единице.

Коэффициент диффузии не постоянная величина. Численные значения его берут либо из справочников, либо рассчитывают по формулам, для каждого конкретного случая.

D зависит:

1. От свойств МС (массообменной системы) (фазового состояния, размер молекул)

2. , повышается кинетическая энергия молекул

3. От давления

4. От концентрации.

II Конвективная диффузия (массоотдача) – перенос вещества, путем перемещения макрообъемов среды, в направлении массопереноса. При наличии конвективной диффузии концентрация распределяемого вещества в элементарном объеме фазы изменяется не только вследствие молекулрной диффузии, но также и в результате механического переноса его из зоны одной концентрации в другую. Рассмотрим перенос массы внутри одной фазы, т.е. от ядра потока к границе раздела фаз или наоборот. Полагаем, что массоперенос происходит между газом и жидкостью (например абсорбция, т.е. массоперенос идет из фазы Ф_у в фазу Ф_х), режим движения турбулентный.

β – коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества переходит от единицы поверхности раздела фаз в ядро потока (или наоборот) в единицу времени при движущей силе, равной единице   Физический смысл β:

β – зависит от многих факторов:

1. физических свойств фаз (вязкость, плотность и др.);

2. гидродинамических условий: скорости, перемешивания;

3. определяющих геометрических размеров.

В виду сложной зависимости коэффициента массоотдачи от этих факторов получение обобщенной зависимости для определения величин β_х и β_у крайне затруднено.

Дата добавления: 2014-01-04