23 Основные понятия массообмена. Закон Фика

Под массообменом понимают самопроизвольный необратимый процесс переноса массы определенного компонента в пространстве с неоднородным полем химического потенциала этого компонента. В простейшем случае неоднородным является поле концентрации парциального давления, при этом процесс переноса имеет определенную направленность

Диффузия осуществляется молекулярным или молярным путем. Молекулярная диффузия – это перенос вещества в смеси, обусловленный тепловым движением микрочастиц. Молярный перенос неразрывно связан с макродвижением самой смеси (конвекцией). Массообмен, обусловленный совместным действием молекул ной диффузии и конвективного переноса вещества, называется конвективным массообменом.

Количество вещества, проходящего в единицу времени через данную поверхность в направлении нормали к ней, называется потоком массы. Он обозначается через J и измеряется в кг/с. Плотность потока массы j – это поток массы, проходящий через единицу поверх­ности: .

Причиной возникновения потока массы является либо неравномерное распределение концентрации ве­щества (концентрационная диффузия), либо неодно­родность температурного поля (термодиффузия}, либо неоднородность полного давления (бародиффузия).

Если в двухкомпонентной смеси отсутствует макро­движение, а температура и давление постоянны по объему системы, то плотность потока массы одного из компонентов, обусловленного молекулярной диффузией, определяется законом Фика

, (8.1)

где D – коэффициент диффузии, м²/с; C_i – местная концентрация данного компонента, равная отношению массы компонента к объему смеси, кг/м³; градиент концентрации (вектор), кг/м⁴.

В этом случае движущей силой является градиент концентрации. Так как плотность потока массы направ­лена в сторону убывания концентрации, а градиент концентрации – в противоположную сторону, то в вы­ражении (8.1) присутствует знак «минус». Закон Фи­ка описывает концентрационную диффузию, в резуль­тате которой переносится основная доля вещества.

Если температура по объему смеси неодинакова, то под действием градиента температур также происходит перенос вещества – термическая диффузия (эффект Соре).

где ρ – плотность смеси; – относительная массовая кон­центрация i-го компонента; – коэффициент термодиф­фузии; коэффициент бародиффузии; р – давление смеси; К_т, К_б – термодиффузионное и бародиффузионное отношения.

24 Испарение жтдкости в парогазовую среду. Стефанов поток.

Над поверхностью испарения воды всегда образу­ется диффузионный пограничный слой, состоящий из газа и водяных паров. Парциальное давление водяных паров у поверхности раздела максимально и соответст­вует насыщенному состоянию при t_пов (рис. 8.2). По толщине пограничного слоя оно уменьшается до значе­ния р_п0 – парциального давления вдали от поверхно­сти испарения. Парциальное давление газа, согласно закону Дальтона, можно определить как . Если полное давление по всему объему парогазовой смеси одинаково (p=const), то градиенты парциально­го давления пара и газа равны по абсолютной величи­не и обратны по направлению: . Сле­довательно, в направлении, обратном направлению диффузии пара, т. е. от парогазовой среды к поверхно­сти жидкости, будет диффундировать газ.

Пар может свободно диффундировать в парогазо­вую среду. Для газа поверхность жидкости является непроницаемой. Поэтому количество газа у поверхно­сти жидкости будет непрерывно возрастать. При ста­ционарном режиме распределение парциальных давле­ний пара и газа будет постоянно во времени. Поэтому перемещение газа к поверхности испарения будет ком­пенсироваться конвективным потоком парогазовой сме­си, направленным от жидкости в парогазовую среду. Этот поток называется стефановым потоком.

При неизотермических условиях расчет процесса массопереноса осложняется .появлением термодиффу­зионного потока вещества в пограничном слое. В боль­шинстве случаев в пограничном слое существует темпе­ратурный градиент и, следовательно, происходит тер­модиффузия. При адиабатических условиях, когда необходимая для испарения теплота берется из окружаю­щего воздуха, газ с большей молекулярной массой стремится диффундировать по направлению теплового потока, а газ с меньшей молекулярной массой – в про­тивоположную сторону, т. е. в направлении градиента температуры. В этом случае термодиффузия усиливает молекулярную диффузию.