2 Массоперенос. Закон фика. Коэффициент диффузии d.
Многие процессы теплообмена, протекающие в природе и технике, сопровождаются процессами переноса массы одного вещества в массу другого вещества.
Большинство материалов, применяемых в сельском хозяйстве, химической, пищевой, лесной, нефтяной, строительной и других отраслях промышленности, являются коллоидными капиллярно-пористыми телами, которые входе технологических процессов производства подвергаются увлажнению, нагреванию и охлаждению. В этих процессах наблюдается не только перемещение теплоты внутри обрабатываемого материала (теплопереиос), но и одновременно перемещение вещества одного компонента в другом (массоперенос), или наблюдается диффузия.
Диффузией называют процесс проникновения молекул вещества одной фазы в межмолекулярное пространство вещества другой фазы.
Когда наблюдается четкая граница раздела между фазами, что имеет место при их неподвижном состоянии или ламинарном режиме движения, вещество из одной фазы в другую переносится так называемой молекулярной диффузией. Причиной возникновения молекулярной диффузии является тепловое движение молекул.
В случае турбулентного режима движения на границе фаз перенос вещества осуществляется не только вследствие молекулярной диффузии, но и вследствие интенсивного перемешивания отдельных фаз. Такую диффузию называют конвективной, или молярной
Переход вещества из одной фазы в другую путем молекулярной и конвективной диффузией называют массообменном, или массопередачей. Последим протекает до тех пор, пока не установится подвижное фазовое равновесие, при котором из одной фазы в другую переходит столько молекул, сколько из второй в первую. В технологических процессах практически используют следующие диффузионные процессы:
1) абсорбцию и адсорбцию газов и паров;
2) десорбцию газов из жидкостей и твердых поглотителей;
3) перегонку жидкостей;
4) экстракцию жидких и твердых веществ;
5) кристаллизацию и растворение твердых веществ;
6) сушку влажных материалов и др.
Если смесь веществ по всем направлениям имеет различную концентрацию, то каждый компонент движется в направлении меньшей концентрации, в результате чего концентрация смеси выравнивается. Такую диффузию называют концентрационной.
При изотермических условиях интенсивность концентрационной диффузии характеризуется плотностью потока массы вещества, которая определяется по закону Фика: плотность диффузионного потока вещества (количество вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу площади изоконцентрационной поверхности) прямо пропорциональна градиенту концентраций.
Если в процессе переноса массы одного компонента в другом имеют место все виды диффузии, то плотность диффузионного потока, или плотность потока массы, определяют по уравнению:
