Основные законы массопередачи

Скорость массопередачи связана с механизмом переноса распределяемого вещества в фазах, между которыми происходит массообмен. Перенос вещества внутри фазы может происходить только путем молекулярнойдиффузии, либо путем конвекции и молекулярной диффузииодновременно.

3акон молекулярной диффузии(первый закон Фúка), основанный на том, что диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в результате беспорядочного теплового движения молекул, атомов, ионов, коллоидных частиц, приводящего к переносу вещества из зоны высоких концентраций в зону низких концентраций, гласит: “Масса вещества , продиффундировавшего за время через элементарную поверхность (нормальную к направлению диффузии), пропорциональна градиенту концентрации этого вещества “:

, (3-6)

или в проинтегрированном виде:

или , (3-7)

где - удельный поток вещества.

Коэффициент пропорциональности D в выражении закона Фика называется коэффициентом молекулярной диффузии.

Коэффициент диффузии D показывает, какая масса вещества диффундирует в единицу времени через единицу площади поверхности при градиенте концентрации, равном единице.

Значение коэффициента диффузии обычно берут из справочников или рассчитывают по формулам. Коэффициент диффузии газа в среду другого газа имеют значения , а при диффузии газа в жидкости они в раз меньше. Таким образом, молекулярная диффузия является весьма продолжительным процессом, особенно в жидкостях и твердых телах.

Собственно молекулярная диффузия наблюдается редко. Она обычно сопровождается конвективным переносом вещества в движущейся среде в направлении, совпадающем с направлением общего потока. Суммарный перенос вещества вследствие конвективного переноса и молекулярной диффузии, по аналогии с теплообменом, называют конвективным массообменом или конвективной диффузией. При конвективной диффузии перенос вещества осуществляется со скоростью во много раз превышающей скорость молекулярной диффузии.

Закон конвективной диффузии(закон Щукарёва А.Н.) позволяет определить количество вещества, переносимого в одной фазе к границе или от границы (при массоотдаче) раздела фаз. Скорость массоотдачи определяется:

для фазы :

, (3-8)

для фазы :

(3-9)

Входящие в эти уравнения разности концентраций и (см. рис. 3.1) представляют собой движущую силупроцесса массоотдачи соответственно в фазах и , причем и - средние концентрации в основной массе (ядре потока) каждой из фаз; и - концентрации у границы соответствующей фазы.

Коэффициенты пропорциональности в уравнениях (3-8) и (3-9) называются коэффициентами массоотдачи.

Коэффициенты массоотдачи (в фазе ) и (в фазе ) показывают какая масса вещества переходит от поверхности раздела фаз в ядро фазы (или в обратном направлении) через единицу площади поверхности в единицу времени при движущей силе массоотдачи, равной единице.

Термодиффузия. Во многих процессах массообмена (сушка, варка, жарка и т.д.) возникает различие в направлении распространения температуры и концентрации диффундируемого вещества. Температурный градиент направлен от периферии продукта к его центру, а градиент концентрации - от центра к периферии. В этом случае диффундируемое тяжелое вещество перемещается в направлении градиента температур, а легкое диффундируемое вещество - в направлении градиента концентрации. Подобное явление получило название термодиффузии. При термодиффузии процесс массообмена может быть несколько затруднен, что объясняется противоположным направлением движения, например, влаги и паров при варке, жарке, сушке.

Движение влаги в направлении градиента температур называется термовлагопроводностью. Перемещение влаги в направлении градиента концентрации является влагопроводностью, что по своему физическому смыслу равнозначно диффузии вещества.