6.4. Основные понятия и закономерности процесса массообмена.

М ассообменом называется самопроизвольный необратимый процесс переноса массы данного компонента среды в пространстве с неоднородным полем химического потенциала этого компонента (в более простых случаях с неоднородным полем концентрации или парциального давления этого компонента). При этом, компонентом среды называется всякое химически индивидуальное вещество, а распределение компонента в объеме одной фазы среды и между фазами в общем случае неоднородно, что вызывает самопроизвольное стремление среды к выравниванию распределения компонента под действием разности химических потенциалов (концентрацией и др.).

Массоопередачей называется массообмен, протекающий через поверхность раздела фаз или через проницаемую стенку между двумя компонентами.

Концентрационным полем называется совокупность мгновенных значений концентрации компонента в данном объеме среды (Рис. 24).

Концентрация обозначается С, кг/м³, а поле С=f(x,y,z). Концентрационное поле бывает однородным и неоднородным, а так же стационарным и нестационарным.

Изоконцентрационной поверхностью называется совокупность точек неоднородного концентрационного поля, имеющих одинаковую концентрацию.

Концентрационное поле характеризуется векторами градиента концентрации и плотности потока массы.

Градиентом концентрации в данной точке А называется вектор направленный по нормали к изоконцентрационной поверхности в сторону увеличения концентрации и равный

, .

Плотностью потока массы в данной точке А называется масса данного компонента проходящего в единицу времени через единицу поверхности по нормали к изоконцентрационной поверхности в сторону понижения концентрации и равный

.

Перенос массы компонента в среде происходит под действием теплового движения частиц (молекул) называется молекулярной диффузией.

Существуют следующие виды молекулярной диффузии:

• концентрационная диффузия, из-за неоднородности концентраций;

• термодиффузия, из-за неоднородности температур;

• бародиффузия, из-за неоднородности парциальных давлений.

Концентрационная диффузия описывается 1-м законом Фика (дополненным Нернстем)

,

где Д - коэффициент молекулярной диффузии или коэффициент диффузии, м²/с.

Из изложенного следует, что между процессами массопереноса диффузией и теплопроводностью существует аналогия, вследствие чего дифференциальное уравнение диффузии имеет вид

6.5. Массоотдача.

В движущейся среде перенос массы происходит одновременно за счет конвекции и диффузии и называется конвективным массообменом.

Массоотдачей называется конвективный массообмен протекающий на границе раздела данной движущейся среды и другой среды (твердая поверхность, граница раздела фаз и др.).

Массоотдача описывается Законом Шукарева

,

где g - плотность потока массы на границе раздела, кг/м² с;

С_n, С_ср - концентрация распределяемого компонента на поверхности раздела и в потоке среды, кг/м³ ;

 - коэффициент массообмена (массоотдачи), м/с.

Величина обратная  называется диффузионным сопротивлением пограничного слоя

.

При массоотдаче в газовой среде, концентрация может быть определена из уравнения состояния для данного компонента, как его плотность

, кг/м³.

Тогда плотность потока массы будет описываться уравнением Дальтона.

,

где P_n, Р_ср - парциальные давления распределяемого компонента у поверхности раздела и в потоке среды, Па;

_п - коэффициент массообмена отнесенный к разности парциальных давлений.

Между массоотдачей и теплоотдачей так же существует аналогия, а в большинстве случаев эти процессы протекают одновременно и параллельно. При этом, у поверхности массообмена, при обтекании ее движущейся средой, помимо гидродинамического и теплового пограничного слоя образуется диффузионный пограничный слой, в пределах которого происходит основное изменение концентрации распределяемого компонента от С_п до С_ср. Этот слой оказывает основное диффузионное сопротивление массоотдаче.

Градиент концентрации в диффузионном слое может быть поправлен:

• в сторону поверхности раздела при массообмене (процессы сушки, сублимации, испарения со свободной поверхности жидкости, десорбция, растворение и т.д.);

• от поверхности раздела при массообмене в сторону среды (конденсация, абсорбция - поглощение газов жидкостью, адсорбция - поглощение газов и жидкостей твердыми телами, десублимация, кристаллизация и т.д.).

Дифференциальные уравнения конвективного массообмена выводятся так же, как и уравнения конвективного теплообмена. Решение системы этих уравнений так же представляет непреодолимые математические трудности. Поэтому, при описании массоотдачи, так же, используется теория подобия.

Н апример, выразив плотность потока массы на поверхности раздела при массоотдаче получим

,

откуда методами теории подобия можно получить массообменный критерий Нуссельта

(число Шервуда - Sh).

Аналогично из дифференциальных уравнений конвективного массообмена можно получить

и (число Шмидта - Sc).

Аналогичный вид имею и критериальные уравнения массоотдачи

.