Тема 5. Основы массопередачи

План.

1. Классификация массообменных процессов. Механизм и движущая сила массообменных процессов. Основные законы массопередачи.

2. Массопередача в твердой фазе. Перемещение влаги в капиллярно – пористых телах.

Тезисы.

1. Массообменными называют процессы, характеризуемые переходом вещества из одной фазы в другую. Обычно, понимают переход компонента смеси из области высокой концентрации в область более низкой концентрации. Перенос вещества внутри одной фазы к поверхности раздела или от нее к другой фазе называют массоотдачей.

Классификация:

- сушка – удаление влаги из твердых материалов путем ее испарения;

- кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов;

- адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворов поверхностно твердого тела;

- экстрагирование – извлечение из твердого или жидкого вещества одного или нескольких компонентов с помощью растворителя;

- абсорбция – поглощение газов или паров жидкими поглотителями;

- ректификация – разделение гомогенных жидких смесей путем многократного частичного испарения жидкости с последующей конденсацией образующихся паров (перегонка).

В массообмене участвуют как минимум три вещества: два распределяющих вещества (первая и вторая фаза) и распределяемое вещество, переходящее из одной фазы в другую.

Динамическое равновесие наступает при достижении каждой фазой равновесной концентрации распределяемого вещества при данных условиях t и р.

Для любой рабочей концентрации распределенного вещества в отдающей и фазе есть соответствующая равновесная концентрация этого же вещества в принимающей фазе, т.е.

= ƒ (с₀)

или = ƒ (с_b).

Сопоставление рабочих и равновесных концентраций позволяет определить скорость и направление процесса, а также характеризует движущую силу процесса, мерой которой является разность между рабочей и равновесной концентрациями.

Способы выражения концентраций: в массовых процентах, в мольных процентах.

Основные законы массопередачи:

- закон молекулярной диффузии (закон Фика):

количество продиффундировавшего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению потока и времени:

m = - DАt( c / d х),

удельный поток вещества:

q _м = m / (Аt) = - D ( c / d х), (5.1)

где D – коэффициент диффузии, зависит от агрегатного состояния вещества.

- закон массоотдачи:

количество вещества, перенесенного от поверхности раздела фаз в воспринимающую среду, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз в воспринимающую среду, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, поверхности фазового контакта и времени:

d_m = ( - ) dA dt, (5.2)

где d_m – количество перенесенного вещества;

ß – коэффициент массобмена.

2. Массопередача в твердой фазе.

Массопроводностью называют процесс перемещения вещества в твердой фазе. Основной закон переноса вещества в твердом теле: количество вещества, переместившегося в твердой фазе за счет массопроводности, пропорционально градиенту концентрации, площади, перпендикулярной направлению потока вещества, и времени, т.е.

d_m = -К( c / d х) dt, (5.3)

где К – коэффициент пропорциональности, не является постоянной величиной и зависит от природы проходящего процесса (адсобрции, сушки).

В промышленности строительных материалов основным массообменным процессом является сушка. Влага в материале движется за счет градиентов влагосодержания, температур и давления.

Плотность общего потока влаги q _м :

q _м = -а_m ρ₀ ± а_m ρ₀ ± а_{Г ,} (5.4)

где а_m ρ₀ = q _{м и} – плотность потока влаги, движущейся в материале за счет градиента влагосодержания ;

а_m – коэффициент потенциалопроводности;

а_m ρ₀ - плотность потока влаги, движущейся за счет градиента температур ;

- коэффициент переноса влаги тепла и влагопроводность;

а_г = q _мг – плотность движущегося в материале потока влаги за счет градиента давлений ;

а_г = а_{m г}ρ₀ – коэффициент переноса влаги за счет градиента давлений.

Уравнение внешнего влагопереноса:

q _м = - а_m (Р_ПМ - Р_В), (5.5)

где а_m – коэффициент влгоотделенния;

Р_ПМ и Р_В – парциальное давление водяных паров над поверхностью материала и окружающей среды.

а_m = 0,0229 + 0,0714 υ , (5.6)

где υ – скорость движения теплоносителя.