Кинетика процесса массопередачи.

Скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого веществ в обменивающихся фазах.

Процесс переноса вещества из одной фазы в другую можно представить следующим образом.

 

Пусть вещество переходит из фазы Ф_у в Ф_х . В каждой фазе различают следующие области:

1.гидродинамический слой (подслой), состоящий из ламинарных потоков.

2. переходная область

3. турбулентное ядро потоков

4. линия раздела фаз

В ядре потока вещество переносится преимущественно турбулентными пульсациями и концентрация распределяемого вещества практически постоянна.

В переходной области происходит постепенное затухание турбулентности, что приводит к более резким изменениям концентрации по мере приближения к поверхности раздела.

В гидродинамическом подслое перенос сильно замедляется, т.к. его скорость уже определяется скоростью молекулярной диффузии, здесь наблюдается более резкое изменение концентраций, вплоть до границы раздела фаз.

Характер изменения концентраций объясняется 1)тормозящим действием сил трения между фазами и 2)силами поверхностного натяжения на границе жидкой фазы. Действием этих сил обусловлено сходство между изменением концентрации распределяемого вещества при массоотдаче и изменением температур у твердой стенки в процессе теплоотдачи.

Перенос вещества в обеих фазах осуществляется путем молекулярной диффузии (т.е. диффузии молекул через слой носителя) и путем турбулентной диффузии (т.е. движущимися частицами носителя и распределяемого вещества).

Перенос распределяемого вещества в ядре потока, где обычно происходит интенсивное перемешивание, осуществляется преимущественно путем турбулентной диффузии. Перенос вещества в пограничном слое осуществляется турбулентной и молекулярной диффузией, причем по мере приближения к поверхности раздела фаз происходит затухание турбулентных потоков и возрастает роль молекулярной диффузии.

 

 

Молекулярная диффузия.

Молекулярной диффузией называется перенос распределяемого вещества, обусловленный тепловым, беспорядочным (броуновским) движением молекул, ионов и коллоидных частиц.

Скорость определяется 1^ым законом Фика:

Количество вещества продиффундировавшего за единицу времени через единичную поверхность, перпендикулярную к направлению диффузии, пропорциональна градиенту концентрации этого вещества

dM_D=-D

Знак (-) показывает, что при молекулярной диффузии в направлении перемещения вещества концентрация убывает.

- градиент концентраций

D-коэффициент молекулярной диффузии,м²/с –показывает, какая масса вещества диффундирует за единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентраций, равном единице.

Значения коэффициента диффузии являются функцией:

-свойств диффундирующего вещества

-свойств среды

-температуры

-давления

D-величина справочная, например имеют значение газа в газе -0,1-1см²/с, а при диффузии газа в жидкость они в 10⁴-10⁵ раз меньше и составляют примерно 1см²/сутки. Т.о. молекулярная диффузия является весьма медленным процессом, особенно в жидкостях.

 

Турбулентная диффузия.

Турбулентная диффузия-это конвективный перенос вещества, который возникает вследствие турбулентных пульсаций.

Масса вещества, переносимого турбулентной диффузией может быть принята, по аналогии с молекулярной диффузией, пропорциональной поверхности dF, времени dτ и градиенту концентрации dY/dl

- коэффициент турбулентной диффузии, м²/с, показывает какая масса вещества передается посредством турбулентных пульсаций в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентраций, равном единице.

В отличии от D он не является физической const, он зависит от гидродинамических условий, определяемых, в основном,скоростью потока и масштабом турбулентности.

 

Конвективный массоперенос.

Суммарный процесс переноса вещества вследствие турбулентной и молекулярной диффузии называют конвективным массообменном или конвективной диффузией.

Уравнение конвективного массообмена:

где - коэффициент массоотдачи, показывает, какое количество вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы (или обратно) через единицу поверхности в единицу времени при движущей силе равной 1.

Уравнение массоотдачи по газовой фазе:

по жидкой:

-коэффициент массоотдачи, определяют, используя теорию подобия.