Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Gidravlika.doc
Скачиваний:
34
Добавлен:
01.03.2016
Размер:
10.56 Mб
Скачать

Основні залежності процесу масопередачі.

Розраховуючи процеси масопередачі, що проходять в очисних спорудах і водоймищах, необхідно знати швидкість.

Під швидкістю масопередачі m розуміють масу речовини М(кг.) яка переходить з однієї фази в іншу через одиницю площі поверхні контакту фаз 2) за одиницю часу t(с) тобто:

() (9.1)

Але використання формули (9.1), для конкретних розрахунків Становить значні труднощі, це пов'язано із складністю визначення площі поверхні контакту фаз .

Враховуючи те що швидкість довільного процесу прямо пропорційна його рушійній силі, тобто різниці концентрацій , а також розглядаючи процес на проміжку довільної довжини та ввівши коефіцієнт пропорційності D , швидкість масопередачі визначається із залежності:

(9.2)

де - градієнт концентрації речовини в напрямі n; D – коефіцієнт дифузії.

Знак «-» вказує на те, що потік речовини (об'єм середовища підвищеної концентрації) напрямлений у бік, протилежний напряму градієнта концентрації.

Формулу (9.2) виведено на підставі логічних міркувань, і вона носить назву перший закон Фіка.

Особливої уваги потребує визначення коефіцієнта дифузії D , який є масою речовини, що пройшла за одиницю часу через одиницю площі поверхні контакту фаз при градієнті концентрації, що дорівнює одиниці.

Для середовища, що перебуває у стані спокою або рухається в умовах ламінарного режиму (коли відсутнє переміщення молярних мас), перенос маси відбувається за рахунок молекулярної дифузії. Величина якої, характеризується значенням коефіцієнта молекулярної дифузії Dм .

Для ідеальних газів його значення розраховують аналітично, на основі кінетичної теорії, наприклад для повітря при температурі 20оС

Для рідин де кінетична теорія не дає чітких результатів, значення Dм визначають за емпіричними даними і залежить від фізичних властивостей рідини, і температури середовища. Деякі дані Dм для води наведені у таблиці (9.1).

Табл.9.1.

T, oC

10

15

20

30

1,28

1,48

1,72

2,23

З таблиці бачимо що для води значення Dм на кілька порядків менше ніж для повітря (приблизно у 1000 разів). Але це не означає що у рідинах дифузія проходить повільніше, ніж у газах. Тому, що на швидкість масопередачі впливає, крім Dм , ще й градієнт концентрації, а у рідин він на багато більший ніж у газів.

У турбулентному потоці, наявність пульсацій швидкостей створює умови для хаотичного переміщення кінцевих об'ємів середовища (молів). Оскільки останні мають інерцію, моль, який рухається з більшою швидкістю, потрапивши у повільніший шар середовища, буде його прискорювати, і навпаки. Разом з передачею кінетичної енергії, відбувається передача розчинених або завислих часток, які знаходяться у молях часток що рухаються. Інтенсивність масопередачі у цьому випадку характеризується коефіцієнтом турбулентної дифузії Dт , який не є фізичною константою, а залежить від гідродинамічної картини руху.

Для різних очисних споруд значення Dт визначають на основі експериментальних досліджень за емпіричними формулами.

Так для трубопроводів маємо:

(9.3)

де V – середня швидкість руху, d – діаметр трубопроводу, - гідравлічний коефіцієнт тертя, Re – число Рейнольдса.

Для відкритих русел матимемо:

(9.4)

де - коефіцієнт Шезі, n – шорсткість поверхні дна русла, R – гідравлічний радіус, z= 1/6 – показник степеня, М – параметр, що визначають з відношення:

(9.5)

Коли масопередача відбувається одночасно за рахунок молекулярної і турбулентної дифузії, до формули (9.2) підставляють значення ефективного коефіцієнта дифузії Dеф , який визначається із залежності:

(9.6)

Як вже казалося, перший закон Фіка описує процес масопередачі в одновимірному уявленні, тобто при переносі маси в одному напрямі n.

У житті концентрація речовини змінюється з часом і для просторової задачі залежатиме від чотирьох факторів, а саме. Тоді повна зміна концентрації матиме вигляд:

(9.7)

Де перші три члени, є характеристикою приросту концентрації за відповідними координатами, а четвертий – за часом.

З формули (9.7) повна похідна концентрації за часом складатиме:

(9.8)

Врахувавши, що :

З рівняння (9.8) стримуємо наступну залежність:

(9.9)

Для знаходження залежності, яка описує перенос речовини у загальному випадку, виділяємо у потоці рідини її нескінченно малий об'єм у вигляді паралелепіпеда із сторонами dx;dy;dz. (рис.9.1). І складемо для нього рівняння матеріального балансу кількості речовини, що підводиться і відводиться.

z dz dMx2

dMx1 dy

dx

х

у

Рис.9.1.

Розглянемо зміну маси, яка відбувається вздовж осі х.

Згідно з рівняннями (9.1) і (9.2) маса речовини, яка проходить у ліву грань паралелепіпеда за рахунок дифузії, буде складати:

(9.10)

Маса речовини яка проходитиме через протилежну грань за той самий час складатиме:

(9.11)

Різниця між ними становитиме:

(9.12)

Змінюючи масу речовина за всіма гранями паралелепіпеда у напрямі відповідних осей x; y; z; різниця становитиме:

(9.13)

де Dx; Dy; Dz – коефіцієнти дифузії у напрямі відповідної вісі координат.

Надлишок маси речовини при незмінних розмірах паралелепіпеда виноситься потоком рідини і залежить від зміни концентрації у ньому:

(9.14)

Підставивши до отриманого рівняння значення з рівняння (9.8), отримаємо наступне рівняння:

(9.15)

Прирівнюючи вирази (9.15) і (9.13), а також провівши відповідні скорочення, отримуємо:

(9.16)

Отримане рівняння називається другим законом Фіка. Преші три компоненти у лівій частині характеризують конвективний перенос маси, тобто зміну концентрації, пов'язану з пересуванням частинок у просторі за рахунок осереднених швидкостей потоку. Локальна похідна , є зміною концентрації речовини, яка відповідає нестаціонарним процесам. Три члени у правій частині рівняння характеризують перенос речовини і зміну концентрації за рахунок дифузії (дифузійний перенос).

Отримана залежність носить найбільш узагальнений характер. Але у наведеному вигляді її розв'язок утруднений складнощами математичного характеру. Як правило, описуючи конкретний процес масопередачі у рівнянні (9.16) роблять окремі спрощення і тільки потім його розраховують.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]