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.