Массообмен

Большинство веществ, используемых в технике, представляет собой многокомпонентные системы. Нефтепродукты и нефть – это смесь различных углеводородов. Поэтому многие процессы теплообмена сопровождаются переносом массы.

Если в некоторой изолированной системе содержится смесь компонентов с первоначально неоднородным распределением концентраций, то в ней возникает перенос массы компонентов смеси, стремящейся к установлению равновесного (равномерного) поля концентраций.

Перенос вещества в смеси, обусловленный тепловым хаотическим движением микрочастиц вещества (молекул, ионов, атомов), называется молекулярной диффузией. Молекулярная диффузия вследствие неоднородного распределения концентраций в смеси называется концентрационной диффузией.

При перемещении, т.е. конвекции, масса компонента переносится макроскопическим элементами смеси. Перенос массы за счет совместного действия молекулярной диффузии и конвективного переноса вещества называется конвективным массообменом. Конвективный массообмен между жидкой (твердой) поверхностью и окружающей средой называется массоотдачей. Плотность потока массы при концентрационной диффузии определяют уравнением, аналогичным уравнению Ньютона-Рихмана:

где _М - коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентраций диффундирующего вещества, м/с;

m_ic и m_io – концентрации вещества на поверхности массоотдачи и в окружающей среде.

Поток массы от поверхности площадью F определяют по формуле:

Числа подобия конвективного массообмена

Диффузионное число подобия Нуссельта В научной литературе его часто обозначают как число Шервуда которое показывает отношение действительной плотности потока при массоотдаче к плотности потока массы при чистой диффузии.

При конвективном массообмене вместо теплового числа подобия Прандтля Pr используют диффузионное число Прандтля в научной литературе его часто обозначают как число подобия Шмидта Этот критерий подобия при определенных условиях является мерой подобия скоростных и концентрационных полей в потоке.

При наличии фазового перехода используют число подобия

. где r – теплота фазового перехода;

С – теплоемкость;

t – разность температур фазового перехода и действительной температуры в процессе. Число К является мерой отношения теплового потока, идущего на фазовое превращение вещества, к теплоте перегрева (переохлаждения) одной из фаз. Кроме того, используются известные критерии подобия Re и Gr.

В общем случае при стационарном процессе конвективный массообмен описывается уравнением подобия:

Неизвестные коэффициенты С, i_w, , , i_Pi определяются на основе эксперимента.

Вопросы для самопроверки

1. Одинаковы ли единицы измерения коэффициента молекулярной диффузии и кинематического коэффициента вязкости?

2. Одинаковы ли единицы измерения коэффициента теплоотдачи и коэффициента массоотдачи ?

3. Содержится ли коэффициент теплоотдачи в диффузионном числе Нуссельта?

4. Содержится ли коэффициент теплопроводности в диффузионном числе Нуссельта?

5. Может ли процесс испарения в парогазовую смесь усилить теплооб­мен между жидкостью и парогазовой смесью?

6. Может ли процесс испарения в парогазовую смесь увеличить коэф­фициент конвективной теплоотдачи над поверхностью жидкости?