2.2 Массообменные процессы. Основные принципы массообменных процессов. Моделирование процессов теплообмена.

Для математического описания того или иного массообменного процесса предложены несколько теоретических моделей. 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 (например, 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.

Т урбулентный 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 линейное изменение концентрации вещества.

Согласно названных выше моделей 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 основе 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. Таким образом, 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 определение 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.