Виды диффузного переноса массы

Различают два вида диффузного переноса массы:

1. Молекулярная диффузия.

2. Конвективная диффузия.

1. Молекулярная диффузия – перенос вещества, обусловленный движений самих молекул. Примером может служить диффузия в стакане к местам с низкой концентрацией. Также медленно диффундируют два слоя газа в свободном состоянии. Чистая диффузия, явление молекулярное, подобно теплопроводности и происходит в неподвижных слоях.

Молекулярная диффузия наблюдается и при движении потоков, но только при ламинарном течении, то есть при полном отсутствии завихрений (турбулентности).

2. При конвективной диффузии массообмен происходит таким образом, что распределенное вещество переносится от мест с более высокой концентрацией к местам с низкой концентрацией струями и завихрениями, возникающими при перемешивании или турбулентном движении фазы как молекулярной диффузией, так и самой средой в направлении ее движения или отдельными частицами в разнообразных направлениях.

Рассмотрим перенос через поверхность контакта фаз dF:

В каждой фазе различают ядро (основную массу) и пограничный слой, возникающий у поверхности раздела фаз.

Перенос распределяемого вещества в ядре фазы, где обычно происходит интенсивное перемешивание, осуществляется путем конвективной диффузии. Благодаря этому в ядре, концентрация распределенного вещества в каждом сечении системы (на элементе dF) почти постоянна (хотя меняется по высоте аппарата).

В пограничном слое происходит резкое изменение концентрации распределяемого вещества. Перенос вещества в пограничном слое осуществляется путем и конвективной, и молекулярной диффузии, причем по мере приближения к границе раздела фаз происходит затухание конвективных потоков.

Основным законом молекулярной диффузии является первый закон Фика, который гласит: количество продиффундировавшего вещества пропорционально градиенту концентрации, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, и времени:

dF dl,

где D – коэффициент молекулярной диффузии, показывающий, какое количество вещества диффундирует через поверхность в 1 м² на расстоянии в 1 м в течение 1 с при разности концентрации, равной единице;

градиент концентрации в направлении диффузии;

dF – элемент площадки, перпендикулярной направлению перемещения вещества;

dl- время.

Закон Фика является аналог закона Фурье, описывающим перенос тепла теплопроводностью.

Молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшенной концентрации распределенного компонента – концентрация убывает в направлении перемещения вещества.

Коэффициент молекулярной диффузии представляет собой физическую константу, характеризующую способность одного вещества проникать вследствии диффузии в неподвижную среду. Величина D не зависит от гидродинамических условий, но зависит от свойств диффундирующего вещества и среды, в которой происходит диффузия, а также от температуры и давления. Размерность его зависит от способа выражения концентрации.

Коэффициенты диффузии находятся по справочникам или по соответствующим формулам. Коэффициент диффузии газов в жидкостях по порядку в 10⁴ меньше, чем коэффициент диффузии газов в среду другого газа, таким образом молекулярная диффузия довольно медленный процесс, особенно в жидкостях.

Основным законом конвективной диффузии является закон Щукарева.

Количество вещества, перешедшего от поверхности раздела фаз в воспринимающую среду, пропорционально разности концентрации у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей среды, поверхности фазового контакта и времени.

,

или

.

Для установившегося процесса

,

где – коэффициент массоотдачи, характеризующий перенос вещества конвективной и молекулярной диффузией одновременно. Он показывает, какое количество вещества передается от поверхности раздела в воспринимающую фазу через 1 м² поверхности фазового контакта за единицу времени при разности концентраций, равной единице

Коэффициент массоотдачи является не физической, а кинетической константой, зависящей одновременно от гидродинамических условий, физических свойств, геометрических факторов и т.д.

Коэффициент массоотдачи не может быть найден непосредственно из опыта, так как отсутствуют методы, позволяющие замерять концентрации фаз на границе их раздела. Поэтому его определяют при помощи теории подобия.