ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МАССОПЕРЕДАЧИ. Основные законы массопередачи
 Скачать 45.51 Kb.
|
|
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МАССОПЕРЕДАЧИ В процессах массопередачи следует различать несколько случаев массообмена: между потоком газа или пара и потоком жидкости; между потоками жидкости; между потоками жидкости и твердой фазой; между потоками газа или пара и твердой фазой. Основными законами массопередачи являются закон молекулярной диффузии (первый закон Фика), закон массоотдачи (закон Ньютона - Щукарева) и закон массопроводности. Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика), основанный на том, что диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в результате хаотического движения молекул, приводящего к переносу молекул распределяемого вещества из зоны высоких концентраций в зону низких концентраций, гласит: количество вещества, перенесенного путем диффузии, пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, и продолжительности процесса:  где: dM – количество вещества, перенесённого путём диффузии; D – коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии;  - градиент концентрации в направлении диффузии; F – элементарная площадка, через которую происходит диффузия; dτ – продолжительность диффузии.Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует через поверхность в 1 м2 в течение 1 ч при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице. Знак «минус» в правой части уравнения показывает, что при молекулярной диффузии концентрация убывает. Дифференциальное уравнение молекулярной диффузии (второй закон Фика) получают, рассмотрев материальный баланс по распределяемому веществу для элементарного параллелепипеда, выделенного мысленно в потоке одной из фаз  К выводу дифференциального уравнения молекулярной диффузии Основной закон массоотдачи, который является аналогом закона Ньютона, был установлен русским ученым Щукаревым при изучении растворения твердых тел. Этот закон формулируется так: количество вещества, перенесенного потоком от поверхности раздела фаз (контакта фаз) в воспринимающую фазу или в обратном направлении, прямо пропорционально разности концентраций у поверхности контакта фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, площади поверхности контакта фаз и продолжительности процесса. Согласно теории диффузионного пограничного слоя распределяемое вещество переносится из ядра потока жидкости к поверхности раздела фаз непосредственно конвективными потоками жидкости и молекулярной диффузией. В рассматриваемой системе (рис. 12.4) различают ядро потока и приграничный диффузионный слой. В ядре перенос вещества осуществляется преимущественно потоками жидкости или газа. В условиях турбулентного течения потоков концентрация распределяемого вещества в данном сечении в условиях стационарного режима сохраняется постоянной. По мере приближения к пограничному диффузионному слою турбулентный перенос снижается и начинает увеличиваться перенос за счет молекулярной диффузии. При этом появляется градиент концентрации распределяемого вещества, растущий по мере приближения к границе. Таким образом, область пограничного диффузионного слоя — это область появления и роста градиента концентрации, область увеличения влияния скорости молекулярной диффузии на общую скорость массопередачи.  Примем, что распределяемое вещество М переходит из фазы G, в которой его концентрация выше равновесной, в фазу L. Если концентрации вещества в ядрах фаз принять равными  и  , а концентрации на поверхности раздела фаз — соответственно  и ,  , то процесс массоотдачи вещества из ядра фазы G к поверхности раздела фаз и от поверхности раздела фаз в ядро фазы L можно записать так: ; (12.15) ,где:  ,  - коэффициенты массоотдачи, характеризующие перенос вещества конвективными и диффузионными потоками одновременно; концентрации и предполагаются равными равновесным, т. е.  и  .Размерность коэффициента массоотдачи  Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества передается от поверхности контакта фаз площадью в 1  в ядро воспринимающей фазы или в обратном направлении в течение единицы времени при разности движущих сил, равной единице.По физическому смыслу коэффициенты массоотдачи отличаются от коэффициентов массопередачи, но выражаются в одинаковых единицах. Для установившегося процесса  выражает количество вещества, перенесенного от поверхности контакта фаз в ядро или из ядра потока к ее поверхности в единицу времени.Для этого случая уравнение (12.15) перепишется так:  .Если  для всей поверхности контакта фаз, . (12.16) |