8.Массообмен в биотехнологических процессах. Теорeтические основы массообменных процессов

Процессами массообмена называют такие процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущей силой этих процессов является разность химических потенциалов (см. гл. 2). Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов. Массообменные процессы широко используются в промыш¬ленности для решения задач разделения жидких и газовых гомо¬генных смесей, их концентрирования, а также для защиты окру¬жающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих газов).

Для математического описания того или иного массообменного процесса предложены несколько теоретических моделœей. Общепринятыми считаются две теории˸ 1. Двухпленочная модель Льюиса и Уитмена;

2. Теория граничного диффузионного слоя Ландау и Девиса. Эти теории имеют много общего. В соответствии с ними процесс переноса вещества из одной фазы в другую можно представить происходящим в три последовательные стадии.

Пусть вещество переходит из фазы Ф_у в фазу Ф_х (к примеру, аммиак из воздуха в воду) (рис.1.). Движение фаз турбулентное. Между фазами существует поверхность раздела фаз (ПРФ), которая обусловлена тормозящим действием сил трения, возникающих при движении фаз относительно друг друга и действием сил поверхностного натяжения, имеющих место на поверхности жидкой фазы.

Турбулентный поток каждой фазы имеет следующую структуру˸ ядро потока (основная масса фазы) и пограничный диффузионный слой у границы фазы (пограничная пленка). В ядре потока вследствие интенсивного перемешивания концентрация вещества постоянная. Здесь преобладает конвективная (турбулентная) диффузия. В пограничном слое движение потока замедляется, так как турбулентный поток заменяется ламинарным. Конвективная диффузия уступает место молекулярной диффузии. Вследствие этого в пограничном слое происходит резкое изменение концентрации от С_0у до С_у^* и от С_х^*до С_0х. Перенос вещества замедляется. Вот почему у границы раздела наблюдается почти линœейное изменение концентрации вещества.

Согласно названных выше моделœей процесс массопередачи представляет сумму процессов массоотдачи из основной массы фазы Ф_у к поверхности раздела фаз и процесса массоотдачи от поверхности раздела к основной массе фазы Ф_х.

В итоге в базе пленочной и других теорий массообмена предложены следующие допущения˸

1. Общее диффузионное сопротивление переносу из фазы в фазу складывается из диффузионного сопротивления двух фаз и сопротивления поверхности раздела фаз. Причем сопротивление на поверхности раздела фаз принимается равным нулю. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, общее сопротивление переносу массы можно рассматривать как сумму фазовых сопротивлений.

2. На поверхности раздела фазы находятся в равновесии.

Предложены и другие модели механизма массопереноса. Но вследствие большой сложности турбулентных двухфазных потоков практически невозможно определœение с концентраций (у_гр, х_гр, у^*, x^*) в фазах, поверхности контакта и т.д.

Скорость каждой из названных выше стадий массообмена описывается соответствующими математическими зависимостями, которые используются при конструировании аппаратуры˸ таковы законы молекулярной диффузии Фика, уравнение массопередачи и другие, хорошо согласующиеся с основными положениями предложенного механизма массообменных процессов.

Молекулярная диффузия обусловлена беспорядочным перемещением молекул вещества в неподвижной среде.

Конвективная диффузия имеет место в движущейся среде и осуществляется движущимися частицами носителя или распределяемого вещества.

При турбулентном движении перенос происходит главным образом путем турбулентной диффузии, а роль молекулярной диффузии незначительна, за исключением области вблизи поверхности раздела фаз.