2. Основные законы массообмена

Схема переноса вещества между фазами представлена на рисунке.2.1 В фазе G концентрация рассматриваемого компонента больше равновесной, т.е. компонентG переходит из фазы в фазуL. Скорость переноса вещества равнаM. Перенос вещества к границе раздела фаз осуществляется двояко: конвективной диффузией, т.е. в результате движения частиц данной фазы, и молекулярной диффузией, т.е. в результате движения молекул через слой данной фазы.

Поэтому в каждой фазе различают ядро, т.е. основную часть потока данной фазы, в котором перенос вещества обусловлен главным образом конвективной диффузией, и различают пограничный слой толщиной _G и _Lпримыкающие к границе раздела фаз. Здесь массоперенос вызывается главным образом молекулярной диффузией, роль которой увеличивается по мере приближения к границе раздела фаз. Толщина пограничного слоя зависит от скорости движения фаз.

Поскольку в ядре потока частицы вещества интенсивно перемешиваются, считают, что в пределах ядра потока концентрации не изменяются, а все изменение концентраций в каждой фазе происходит в пределах пограничного слоя.

1. Молекулярная диффузия

Молекулярная диффузия обусловлена переносом молекул вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией и протекает в неподвижной среде или ламинарных пограничных слоях.

Процесс молекулярной диффузии определяется законом Фика, который формулируется следующим образом. Количество вещества dM , диффундирующего через слой в единицу времени, пропорционально площади слояdF , перпендикулярной направлению диффузионного потока, и градиенту концентраций в направлении диффузииdc/dn, т.е.:

( 1 )

где Dкоэффициент диффузии

Знак минус указывает на то, что диффузия вещества идет в направлении уменьшения концентрации

Движущей силой процесса молекулярной диффузии является градиент концентрации dc/dn. Средняя величина градиента концентрации приближенно равна:

( 2 )

где c изменение концентрации по толщине слоя,толщина слоя.

Коэффициент пропорциональности D, характеризующий скорость диффузии, называют коэффициентом диффузии. Коэффициент диффузии представляет собой количество вещества, перешедшего в единицу времени через единицу поверхности, равном единице. Величина коэффициента диффузии определяется свойствами диффундирующего компонента и фазы, в который он диффундирует, а также давлением и температурой

2. Конвективная диффузия

Согласно закону конвективной диффузии, количество вещества M, переданного в единицу времени из фазы к поверхности раздела фаз, пропорционально поверхности фазового контактаdF и разности концентраций в потокеC_фи на границе раздела фазC_ср:

( 3 )

где коэффициент массоотдачи.

Коэффициент массоотдачи представляет собой массу вещества, переданную через единицу поверхности в единицу времени при разности концентраций в ядре потока и на границе раздела фаз равной единице

Коэффициент массоотдачи определяется гидродинамическими, физико-химическими факторами, а также геометрией и размерами системы.

3. Основное уравнение массопередачи

Скорость переноса вещества из одной фазы в другую dMпропорциональна движущей силе процесса, характеризующей степень отклонения систем от состояния равновесия, и поверхности контакта фазdF . Следовательно:

( 4 )

где К коэффициент масссопередачи.

Коэффициент массопередачи характеризует массу вещества, переданную из одной фазы в другую в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе процесса, равной единице.

Коэффициент массопередачи отражает уровень интенсификации процесса: чем больше величина К, тем меньше их размеров требуется аппарат для передачи заданного количества вещества. Одновременно следует воздействовать и на величину поверхности контакта фаз, стремясь ее максимальному развитию и обновлению в единице объема аппарата. Наибольшее влияние на интенсивность массоперенос оказывают гидродинамические и конструктивные факторы.