20. Турбулентная диффузия.

Количество вещества , переносимого в пределах фазы вследствие турбулентной диффузии, принимается, по аналогии с молекулярной диффузией, пропорционально поверхности, времении градиенту концентрацийи определяется по уравнению

где - коэффициент турбулентной диффузии.

Соответственно удельный тепловой поток вещества, переносимого путем турбулентной диффузии через единицу поверхности в единицу

времени, или скорость турбулентной диффузии, составляет

Коэффициент турбулентной диффузии() показывает какое количество вещества передается посредством турбулентной диффузии в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном единице.

Коэффициент выражается в тех же единицах, что и D, т.е. в м²/с. Однако, в отличие от D, коэффициент турбулентной диффузии не является физической константой, он зависит от гидродинамических

условий, определяемых в основном скоростью потока и масштабом турбулентности.

Конвективный перенос.

Происходит лишь в движущейся среде. Скорость конвективного переноса вещества вместе с самой средой в направлении, совпадающим с направлением общего потока равна

где - скорость потока жидкости, газа или пара.

с- коэффициент пропорциональности.

Суммарный перенос вещества в движущейся среде, по аналогии с

теплообменом, называют конвективным массообменом (конвективной диффузией). Распределение концентраций при массообмене определяется дифференциальным уравнением массообмена в движущейся среде.

Если процесс стационарен, то , если процесс протекает в неподвижной среде, то, уравнение принимает вид:

-это уравнение носит название второго закона Фика.

В дифференциальном уравнении массообмена в движущейся среде,

помимо концентраций, переменной является скорость потока. Поэтому данное уравнение надо рассматривать совместно с дифференциальными уравнениями гидродинамики. Для расчета массообменных процессов приходится прибегать к преобразованию дифференциальных уравнений методами теории подобия.

21. Механизм процесса массопереноса.

На рисунке приведена схема, поясняющая процесс массопередачи

между жидкостью и газом (паром) или между двумя жидкостями. Фазы движутся с некоторой скоростью и разделены подвижной поверхностью раздела.

Вещество переходит из фазы (Фy) в фазу (Фx) концентрация вещества М выше равновесносной в фазе (y).

Таким образом осуществляется процесс массоотдачи из основной массы фазы Фy к поверхности раздела фаз и процесс массоотдачи от поверхности раздела к основной массе фазы Фх, В результате этих частных процессов происходит процесс массопередачи- переход вещества из одной фазы в другую.

Процесс массопередачи связан со структурой турбулентного потока в каждой фазе. В каждой фазе различают ядро ,или основную массу фазы, и пограничный слой у границы фазы.

В ядре вещество переносится преимущественно турбулентными

пульсациями и концентрация распределяемого вещества, как показано

на рисунке в ядре практически постоянна. В пограничном слое происходит постепенное затухание турбулентности. Это выражается более резким изменением концентрации по мере приближения к поверхности раздела. У поверхности перенос сильно замедляется, т.к. его скорость уже определяется скоростью молекулярной диффузии. В этой области наблюдается наиболее резкое, близкое к линейному, изменение концентрации.

Изменения концентраций объясняются тормозящим действием сил трения между фазами и сил поверхностного натяжения на границе жидкой фазы.

Таким образом при турбулентном движении в ядре потока фазы перенос к границе раздела фаз (или противоположном направлении) осуществляется параллельно молекулярной и турбулентной диффузией, причем основная масса вещества переносится посредством турбулентной диффузии. В пограничном слое скорость переноса лимитируется скоростью молекулярной диффузии. Таким образом для интенсификации массопереноса желательно уменьшить толщину пограничного слоя, повышая степень турбулентности потока, например путем увеличения до некоторого предела скорости фазы.