Виды диффузного переноса массы

Различают два вида переноса массы:

1. Молекулярная диффузия.

2. Конвективная (турбулентная) диффузия.

1. Молекулярная диффузия – перенос вещества, обусловленный движений самих молекул. Подобно теплопроводности она происходит в неподвижных слоях.

Она наблюдается и при движении потоков, но только при ламинарном режиме, то есть при полном отсутствии завихрений (турбулентности).

2. При конвективной диффузии массообмен происходит таким образом, что 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 вещества через поверхность контакта фаз dF:

 

В каждой фазе различают турбулентное 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, что количество продиффундировавшего вещества пропорционально градиенту концентрации, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, и времени:

  dF d ,

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; d - время.

Закон Фикаявляется аналог закона Фурье, описывающим перенос тепла теплопроводностью.

Молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшения 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 зависитот 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 молекулярной диффузии находятся по справочникам или по соответствующим формулам. Коэффициент диффузии газов в жидкостях примерно в 10 000 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

. Ошибка!

Для установившегося процесса

,

где  – коэффициенты массоотдачи, характеризующие перенос вещества конвективной и молекулярной диффузией одновременно. Они показывают, какое количество вещества передается от поверхности раздела в воспринимающую среду (или наоборот) 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.