Механизм процесса массопередачи.

Трудности чисто теоретического анализа расчета массопереноса обусловлены сложностью расчета массопереноса на границе фаз и от нее путем молекулярной и турбулентной диффузии и недостаточной диффузии и гидродинамической изученности закономерностей гидродинамических поверхностей вблизи поверхности раздела фаз.

Схема распределения концентрации в фазах в процессе массопередачи. Фазы двигаются с некоторой скоростью друг относительно друга и разделены подвижной поверхностью раздела. Пусть перенос распределяемого вещества (М), например, аммиак, происходит в условиях турбулентного движения фаз. Примем также, что вещество, переходящее из фазы Ф_у, где концентрация вещества М выше равновесной (смеси вещества с воздухом) в фазу Ф_х, например, в воду. Таким образом осуществляется процесс массоотдачи из основной массы фазы Ф_у к поверхности раздела фаз и процесс массоотдачи от поверхности раздела к фазе Ф_х. В результате этих частных процессов, а также преодоления сопротивления переноса через самую поверхность раздела фаз происходит процесс массопередачи, т.е. переход вещества из одной фазы в другую. Процесс массопередачи теснейшим образом связан с процессом турбулентного потока в каждой фазе. Как известно из ГПО, при турбулентном движении потока у твердой стенки образуется пограничный слой. Аналогично в каждой фазе различают ядро или основную массу фаз и пограничный слой у границы фаз. В ядре вещество переносится преимущественно турбулентными пульсациями и концентрация в ядре практически постоянна. В пограничном слое происходит постепенное затухание пульсаций. Это выражается во все более резком изменении концентрации по мере приближения к поверхности раздела. Непосредственно у поверхности его перенос существенно замедляется, т.к. его скорость определяется скоростью молекулярной диффузии. В этой области наблюдается близкое к линейному изменение концентрации вплоть до границы раздела фаз. Такой характер изменения концентрации объясняется тормозящим действием между фаз и сил поверхностного натяжения на границе фаз. Действие этих обусловлено сходством между изменением концентраций распределяемого вещества при масоотдаче и температурой твердой стенки в процессе теплоотдачи. Таким образом, при турбулентном движении в ядре потока фазы перенос границы фаз осуществляется потоком перехода масс, причем основная масса вещества переносится посредством турбулентной диффузии. В пограничном слое скорость переноса лимитируется скоростью молекулярной диффузии. Соответственно. Для интенсификации массопереноса желательно уменьшать толщину пограничного слоя, повышая степень турбулентности потока путем увеличения до некоторого предела скорости фазы.

Уравнение массоотдачи.

В виду сложности механизма массопередачи в фазах для практической цели принимают, что скорость массопередачи пропорциональна движущей силе, равной разности концентрации в ядре и на границе фаз или в случае обратного направления переноса разности концентрации на границе и в ядре фазы. Но соответственно, если распределяемое вещество переходит из фазы Фу в фазу Фх, то основное уравнение массопередачи, определяющее количество вещества, переносимого в единицу времени в каждой из фаз, выражается следующим образом:

Для фазы Ф_у - 

Для фазы Ф_х:

Входящие в эти уравнения разности концентраций (у – у_гр) и (х_гр – х) представляют собой движущую силу процесса массообмена в фазах Ф_у и Ф_х соответственно. Причем у, х – средние концентрации в основной массе в ядрах каждой из фаз; у_гр и х_гр – концентрации у границы у соответствующей фазы. Коэффициенты пропорциональности β_у и β_х называются коэффициентами массообмена. Они показывают, какая масса вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы или в обратном направлении через единицу поверхности в единицу времени при движущей силе, равной единице. Коэффициент массообмена является кинетической характеристикой, зависящей от физических свойств фазы (плотность, объем и т.д.) и гидродинамических условий в ней, связанных в свою очередь с физическими свойствами фазы, а также геометрическими факторами, определяемыми конструкциями и размерами масообменного аппарата. Таким образом коэффициент массообмена является функцией многих переменных, что значительно усложняет расчет или опытное определение коэффициента массообмена. Коэффициент массообмена является аналогом коэффициента теплоотдачи (к) в процессе переноса тепла, а основное уравнение массообмена идентично основному уравнению теплоотдачи. Коэффициент массообмена может быть выбран в различных единицах в зависимости от выбора единиц для массы распределяемого вещества и движущей силы. Если принять, что масса вещества выражена в кг, то в общей форме коэффициент массообмена выразится в следующем виде: