Механизм процессов массопереноса.

Трудности чисто теоретического анализа и расчета массопереноса обусловлены сложностью механизма переноса к границе раздела фаз и от нее путем молекулярной и турбу­лентной диффузии и недостаточной изученностью гидродинамических законо­мерностей турбулентных потоков, особенно вблизи подвижной границы раз­дела фаз.

На рисунке 3.4. приведена схема, поясняющая процесс массопередачи между жидкостью и газом (паром) или между двумя жидкостями. Фазы движутся с некоторой ско­ростью друг относительно друга и разделены подвиж­ной поверхностью раздела.

 

Рисунок 3.4.

 

Пусть перенос распре­деляемого вещества М (на­пример, аммиака) происхо­дит в условиях турбулентно­го движения фаз. Примем также, что вещество перехо­дит из фазы У, где концен­трация вещества М выше рав­новесной (смеси аммиака с воздухом), в фазу Х, напри­мер в воду. Таким образом, осуществляются процесс массоотдачи из основной массы фазы У к поверхности раздела фаз и процесс массоотдачи от поверхности раздела к основной массе фазы Х. В результате этих частных процессов, а также преодоления сопротивления переносу через самую поверхность раздела фаз (если оно имеет заметную величину) происходит процесс массопередачи — переход вещества из одной фазы в другую.

Процесс массопередачи теснейшим образом связан со структурой тур­булентного потока в каждой фазе. Как известно из гидродинамики, при турбулентном движении потока у твердой стенки образуется ламинарный пограничный слой. Аналогично в каждой фазе различают ядро, или основную массу фазы, и пограничный слой у границы фазы. В ядре вещество переносится преимущественно турбулентными пульса­циями и концентрация распределяемого вещества, как показано на рисунке 3.4, в ядре практически постоянна. В пограничном слое происходит постепенное затухание турбулентности. Это выражается все более резким изменением концентрации по мере приближения к поверх­ности раздела. Непосредственно у поверхности перенос сильно замедляет­ся, так как его скорость уже определяется скоростью молекулярной диф­фузии. В этой области наблюдается наиболее резкое, близкое к линейно­му, изменение концентрации вплоть до границы раздела фаз (рисунок 3.4).

Такой характер изменения концентраций объясняется тормозящим действием сил трения между фазами и сил поверхностного натяжения на границе жидкой фазы.

Таким образом, при турбулентном движении в ядре потока фазы пе­ренос к границе раздела фаз (или в противоположном направлении) осуществляется параллельно молекулярной и турбулентной диффузией, причем основная масса вещества переносится посредством турбулентной диффузии. В пограничном же слое скорость переноса лимитируется скоростью молекулярной диффузии. Соответственно для интенсификации массопереноса желательно уменьшать толщину пограничного слоя, по­вышая степень турбулентности потока, например путем увеличения до некоторого предела скорости фазы.

Уравнение массопередачи.

Как отмечалось, процесс массопередачи включает процессы массоотдачи в пределах каждой из двух взаимодейст­вующих фаз и, кроме того, процесс переноса распределяемого вещества через поверхность раздела фаз:

(3.20)

 

где у_гр, х_гр —концентрации на границе раздела соответствующих фаз;

bу,bх— коэф­фициенты массоотдачи, выраженные соответственно через концентрации фаз У и Х;

у, х - концентра­циям распределяемого вещества в основной массе (ядре) фазы.

 

 

Сложность расчета процесса связана с тем, что практически невозможно измерить концентрации фаз непосред­ственно у границы их раздела. Учитывая это, основное уравнение массопередачи, определяющее количество М вещества, переносимого из фазы в фазу в единицу времени, выражают следующим:

(3.21)

 

где у*, х* — равновесные концентрации в данной фазе, соответствующие концентра­циям распределяемого вещества в основной массе (ядре) другой фазы;

Ку,Кх— коэф­фициенты массопередачи, выраженные соответственно через концентрации фаз У и Х;

у, х - концентра­циям распределяемого вещества в основной массе (ядре) фазы.

 

При такой форме записи уравнения массопередачи движущая сила процесса выражается разностью между рабочей и равновесной концентра­цией (или наоборот), отражающей меру отклонения системы от состояния равновесия.

Коэффициент массопередачи (К_у или К_х) показывает, какое количество вещества переходит из фазы в фазу за единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе массопере­дачи, равной единице.

Следует подчеркнуть, что в условно принимаемых за движущую силу разностях концентраций (у — у*) или (х* —х) величины у* и х* представляют собой фактически не существующие в потоке предельные (равновесные) концентрации, значения которых можно найти в справочниках. Концентрации фаз изменяются при их движении вдоль поверхности раздела, соответственно изменяется движущая сила массопередачи. По­этому в уравнение массопередачи вводят величину средней дви­жущей силы (Dу_ср или Dх_ср). Тогда уравнения (3.21) принимают вид:

(3.22)

 

С помощью этих уравнений обычно находят поверхность контакта фаз F и по ней рассчитывают основные размеры аппарата. Для определения F необходимо предварительно рассчитать коэффициент мас­сопередачи Ку или Кх и среднюю движущую силу. Величина М — количество вещества, переводящее из фазы в фазу в единицу вре­мени, или нагрузка аппарата, либо задается при расчете, либо определяется из материального баланса.