Массообмен

Массообмен — это перенос вещества из одной фазы в другую в неравновесных бинарных или многокомпонентных системах.

Массообмен ключает массоотдачу (перенос веществава от границы раздела фаз внутрь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхностьь раздела фаз). Различают
эквимолярный массообмен, при котором через поверхность раздела в противоположных направлениях переносится одинаковое количество компонентов, и неэквимолярный.

Движущая сила массообмена — разность химических потенциалов компонентов в рабочем и равновесном состояниях системы, однако в расчетах ее обычно выражают через Δy = y*— y, где у* и у — равновесная и рабочая концентрации компонента (в мольных долях) соответственно.

В системе газ (пар) — жидкость одни компоненты переносятся из ядра потока жидкой фазы к границе раздела фаз, а затем в ядро потока газовой (паровой) фазы, другие компоненты — в обратном направлении. При этом перенос массы в ядре каждой фазы обычно происходит в результате турбулентных пульсаций, а в вязких подслоях вблизи границы раздела — в результате молекулярной и затухающей турбулентной диффузии. Перенос вещества в этих системах через границу раздела осуществляется путем испарения и
конденсации или в результате растворения газа и жидкости.

В системах с твердой фазой различают внешнедиффузую область, когда вещество переносится из ядра газовой или жидкой фазы к поверхности твердого тела, и внутридиффузионную, которая характеризуется переносом распределяемого компонента внутри пор (для пористых структур) и диффузией в твердой фазе.

Механизм массообмене в системах с движущимися фазами, такими, например, как газ (пар) и жидкость в виде стекающей пленки, может существенно изменяться при гидродинамической нестабильности
поверхностии раздела вследствие возникновения межфазной спонтанной турбулентности потоков или при поверхностной конвекции. Существенное влияние на состояние и размер поверхности раздела оказывает наличие в системе ПАВ. Эффективность массообмена в значительной степени зависит также от теплообмена
между фазами.

При расчете массообмена  обычно принимают, что плотность диффузионого потока j, т. е. количество вещества, переданного через 1 м² поверхности за 1 с, пропорциональна движущей силе: j=2К0гΔy, где
К_ог — коэффициент массопередачи [в кмоль/(м² • с)], отнесенный к газовой фазе и зависящий от гидродинамических условий в системе, коэффициента диффузии и др. факторов. При этом:

1/К_ог=1/β_г +m/β_ж

где β_г и β_ж — коэффициент массоотдачи в газовой и жидкой фазе соответственно [в кмоль/(м² • с)], m — константа фазового равновесия, численно равная тангенсу угла наклона касательной к кривой равновесия фаз. При расчете процесса по концентрации распределяемого компонента в жидкой фазе коэфицент
массопередачи обозначают К_ож, причем К_ог = К_ож/m.
Если определение истинной поверхности контакта фаз затруднено, в практических расчетах массобмена используют условные коэфициенты массоотдачи (β_гα и β_жα, где α— поверхность контакта фаз, приходящаяся на 1 м³ объема газожндкостной системы. Тогда количество вещества М, переданного за 1 с в результате массобмена в аппарате с высотой рабочей зоны Н и площадью поперечного сечения F,
определяется из уравнения:

Для расчета β_гα и β_жα используют решения дифференциальных уравнений
математических моделей элементарных актов массобмене в пленках, пузырях, каплях, струях и пр., а также полуэмпирические уравнения, полученные методами теории подобия или на основе аналогии между процессами переноса тепла и массы. Коэффициент массоотдачи по-разному зависит от коэффициента диффузии D компонентов смеси (β~ Dⁿ) в различных моделях механизма массообмена Для
систем газ — жидкость в двухпленочной модели Льюиса и Уитмена n = 1; в моделях обновления поверхности контакта фаз (Хигби, Данквертс и др.) и в модели диффуз. пограничного слоя n = 0,5; для систем газ — твердое тело в модели диффуз. пограничного слоя n= 0,33. Так, напр., по Хигби, коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определяется из уравнения:

 

Вследствие недостаточной изученности механизма и кинетики массообмен, особенно в многокомпонентных смесях, расчет массообменных процессов и аппаратов в большинстве случаев еще выполняется на основе понятия о кпд (эффективности) контактного устройствава (см. Тарельчатые аппараты), т. е.
путем использования  эмпирических соотношений, обобщающих главным образом
опыт эксплуатации промышленных аппаратов. См. также Массообменные аппараты.
Массообмен — основа дистилляции, ректификации, абсорбции,
экстракции, растворения и др. процессов. Он играет также важную роль в гетерогенных химических реакциях (см. Макрокинетика).

---

 

Список литературы:
Романков П. Г., Рашковская Н. Б., Фролов В. Ф., Массообменные процессы химической технологии, Л., 1975; Александров И. Л., Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей, .'I., 1973; Кафаров В. В., Основы массопередачи, М,, 1979; Шeрвуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч., Массопередача, пер. с англ., М., 1982

Автор: И. А. Александров.
Источник: Химический энциклопедический словарь, И.Л.Кнунянц,1983 г
Дата в источнике: 1983 г