Массообмен. Основные стадии и закономерности массопереноса

Основная задача химико-технологического процесса состоит в направленном изменении макроскопических свойств участвующих в процессе веществ: состава, агрегатного состояния, давления P и температуры Т. При этом происходит перенос субстанций: импульса, энергии, массы. Процесс переноса массы - массообмена - может быть разделен на три последовательных стадии аналогично процессу теплообмена: на массотдачу в первой среде (перенос массы к поверхности раздела сред), массопередачу (переход массы через пограничную поверхность) и массоотдачу во второй среде (перенос массы от поверхности раздела сред). Исходя из общего определения массопереноса, массопередача может быть записана следующим

образом: M = K·Δ·F·τ, (1)

где M – количество вещества, К – коэффициент массопередачи, Δ – движущая сила процесса, F – поверхность раздела сред, τ – время. Отсюда коэффициент массопередачи характеризует количество вещества, переходящего из одной среды в другую через единицу поверхности в единицу времени при единичном значении движущей силы (в основном молекулярно-диффузионной). При этом проходящее через поверхность количество вещества зависит от проницаемости (сопротивления) границы, а также от его притока к поверхности и оттока от поверхности раздела сред, то есть от процессов массоотдачи. Эту закономерность, аналогично коэффициенту теплопередачи при теплообмене, можно записать следующим образом:

К = 1 / [1/β₁ + m₁₂/β₂], или 1 / [1/β₂ + 1/ m₂₁β₁], (2)

где β₁ и β₂ – коэффициенты массоотдачи в первой и во второй средах, m_ij – коэффициент распределения целевого компонента между средами i и j, определяемый его термодинамическим состоянием в каждой из них. Коэффициенты массоотдачи в каждой из сред определяются аналогично коэффициенту массопередачи (1), но со своей величиной и природой движущих сил Δ, зависящих от градиента содержания целевого (распределяемого) компонента у поверхности раздела сред и в ядре (центральной части) каждой из этих сред. Однако основой массообменных процессов являются механизмы массопереноса, при количественном описании которых, однако, удобнее использовать потоки вещества, а не масс.

Итоговый механизм массопереноса (3) складывается из трех механизмов: диффузионного (молекулярного) (4), турбулентного (5) и конвективного (6) (далее обозначаемые как м, т, к):

= - (D_i+D_т) + , (3)

Молекулярный поток вещества , (4)

в том числе для изотермической системы (4`)

Турбулентный поток вещества (5)

Конвективный поток массы или вещества (6)

Здесь используются следующие обозначения параметров i – того компонента: ρ_i – плотность, - мольная масса, c_i – мольная концентрация, - градиент концентрации, - градиент химического потенциала, D_i и D_т – коэффициенты молекулярной и турбулентной диффузии соответственно, - удельный поток – количество вещества i – того компонента, проходящего через единицу поверхности за единицу времени в единице объема.

Поскольку объем среды, участвующей в турбулентных пульсациях, значительно превышают молекулярные размеры, интенсивность турбулентного переноса массы в ограниченном пространстве может быть существенно (на порядки) выше молекулярного (вплоть до ). При конвективном движении среды поток массы (или вещества) определяется как сумма конвективного и молекулярного переноса, а при турбулентном режиме конвективного массопереноса к ним добавляется и турбулентная составляющая. Несмотря на это, механизмы массообменных процессов имеют преимущественно молекулярную природу и соответствующий масштаб. Поэтому механизмом переноса, наиболее существенным для любого процесса массообмена, является диффузионный (молекулярно- (ионно-) и(или) турбулентно-диффузионный) механизм, который управляется термодинамикой молекулярной системы.В этой связи рассмотрим условия фазовых равновесий, нарушение которых активирует движущие силы молекулярной природы и определяет направление процессов массопереноса.