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 диффузируют 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, т. е. при полном отсутствии завихреней (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 фаз dF:

В каждой фазе различают ядро (основную массу) и потраченный слой, возникающий у поверхности раздела фаз. Перенос распределенного вещества в ядре фазы, где обычно происходит интенсивное перемещение осуществляется путем конвективной диффузии.

Благодаря интенсивному перемешиванию 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 dr – аналог закона Фурье

Молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшенной концентрации распределенного компонента – концентрация убывает в направлении перемещенного вещества градиент концентрации в направлении диффузии dF – элемент площадки.

D – коэффициент молекулярной диффузии показывающий, какое количество вещества диффузирует через поверхность в 1 м² на расстоянии в 1 м в течении 1 с (час) при разности концентрации равной 1.

Коэффициент молекулярной диффузии представляет собой физическую константу, характеризующую способность одного вещества протекать в следствии диффузии в неподвижную среду. Величина D не зависит от гидродинамических условий.

Коэффициент диффузии зависит от свойств диффузирующего компонента и среды, в которой происходит диффузия, так же 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 жидкостных.

Основным законом конвективной диффузии является закон Щукарева.

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

Для установленного процесса

– коэффициент массоотдачи характеризующий перенос вещества конвективными и диффузионными потоками одновременно. Он показывает какое количество вещества передается от поверхности раздела в воспринимающую фазу через 1 м² поверхности фазового контакта на единицу времени при разности концентраций, равной единице

Коэффициент массоотдачи является не физической а кинетической константой зависящей 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.

Коэффициент массоотдачи определяют опытным путем с обобщением экспериментальных данных при помощи теории подобия.

Дифференциальное уравнение конвективной диффузии

Рассмотрим материальный баланс по распределяемому веществу для элементарного паралл-да.

1) Конвективный перенос

За время dr в направлении оси X войдет в паралл-д вещества:

(кг)

dxdydzr

Разность: ;

Аналогично в направлении осей Y и Z:

;

;

Всего путем только конвективной диффузии переносится

Выражение в скобках равно нулю по уравнению неразрывности установившегося потока.

Окончательно:

2) Молекулярный перенос

За время dr в направлении оси X:

Общее изменение количества вещества

Это изменение может произойти (вызовет) изменение концентрации во времени:

; – локальное изменение концентрации во времени

+

Дифференциальное уравнение массобмена в движущейся среде выражает закон распределения концентраций.

При установившемся потоке:

В неподвижной среде конвективная диффузия отсутствует