Массообмен, массообменные процессы и материалы

Лекция

Массообме́н — самопроизвольный и необратимый процесс переноса массы части вещества в пространстве с неоднородным полем химического потенциала в направлении уменьшения этого химического потенциала

Технологические процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую, называется массообмен ные процессами, а аппаратура для проведения этих процессов – массообменной аппаратурой. Основные массообменные процессы – абсорбция, адсорбция, экстракция, ректификация, сушка, кристаллизация, растворение, плавление.

В технологии строительных материалов наиболее важное значение имеют сушка, растворение, плавление и кристаллизация. Остальные из перечисленных процессов имеют отношение к технологии строительных материалов, поскольку они применяются при получении полимеров и производстве на их основе строительных материалов из пластмасс.

Рассмотрим только основные массообменные процессы в технологии строительных материалов.

СУШКА - даление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Сушка имеет большое значение в технологии почти всех строительных материалов, особенно в производстве керамики всех типов. Процесс сушки заключается в переходе воды из твердого материала в паровую или газовую фазу.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ – выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов и расплавов. Кристаллизация из растворов происходит при твердении вяжущих веществ; кристаллизация из расплавов – при обжиге керамических изделий и при производстве портландцементного клинкера. Кристаллизация характеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую.

Из приведенных примеров видно, что в описываемых процессах общим является переход вещества из одной фазы в другую – МАССОПЕРЕДАЧА. Этот переход связан с явлениями конвективного переноса и молекулярной диффузии, поэтому такие процессы и называют массообменными, или диффузионными.

Массопередачей называют переход вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия. Все массообменные процессы обратимы. В массообмене участвуют как минимум три вещества: отдающее вещество – первая фаза, воспринимающее вещество – вторая фаза и распределяемое вещество, переходящее из одной фазы в другую.

Астрофизика

В астрофизике массоперенос — это процесс, посредством которого материя , гравитационно связанная с телом, обычно со звездой , заполняет свою полость Роша и становится гравитационно связанной со вторым телом, обычно с компактным объектом ( белым карликом , нейтронной звездой или черной дырой ), и в конечном итоге прикрепляется к нему. Это обычное явление в двойных системах и может играть важную роль в некоторых типах сверхновых и пульсаров .

Химическая инженерия

Массоперенос находит широкое применение в задачах химической технологии . Он используется в реакционной технике, технике разделения, технике теплопередачи и многих других разделах химической технологии, таких как электрохимическая инженерия.

Движущей силой массопереноса обычно является разница в химическом потенциале , если ее можно определить, хотя другие термодинамические градиенты могут связываться с потоком массы и также вызывать его. Химический вид перемещается из областей с высоким химическим потенциалом в области с низким химическим потенциалом. Таким образом, максимальная теоретическая степень данного массопереноса обычно определяется точкой, в которой химический потенциал однороден. Для однофазных систем это обычно означает равномерную концентрацию по всей фазе, тогда как для многофазных систем химические соединения часто предпочитают одну фазу другим и достигают однородного химического потенциала только тогда, когда большая часть химических веществ абсорбируется в предпочтительной фазе. , как при жидкостно-жидкостной экстракции .

Хотя термодинамическое равновесие определяет теоретический объем данной операции массообмена, фактическая скорость массообмена будет зависеть от дополнительных факторов, включая структуру потока внутри системы и диффузионную способность частиц в каждой фазе. Эту скорость можно определить количественно путем расчета и применения коэффициентов массопередачи для всего процесса. Эти коэффициенты массопередачи обычно публикуются в виде безразмерных чисел , часто включая числа Пекле , числа Рейнольдса , числа Шервуда и числа Шмидта , среди других.

Аналогии между переносом тепла, массы и импульса

Есть заметное сходство в обычно используемых приближенных дифференциальных уравнениях для переноса количества движения, тепла и массы. Молекулярные уравнения переноса закона Ньютона для импульса жидкости при низком числе Рейнольдса ( поток Стокса ), закона Фурье для тепла и закона Фика для массы очень похожи, поскольку все они являются линейными приближениями к переносу сохраняющихся величин в потоке. поле. При более высоких числах Рейнольдса аналогия между массой, теплопередачей и передачей импульса становится менее полезной из-за нелинейности уравнения Навье -Стокса (или, более фундаментально, общего уравнения сохранения импульса ), но аналогия между теплом и массопереносом остается хорошей. . Много усилий было потрачено на разработку аналогий между этими тремя транспортными процессами, чтобы можно было предсказать один из других.

Частные случаи массообмена

Простейший случай — массообмен в неоднородном поле концентрации или парциального давления.
Массопередача — массообмен через поверхность раздела или проницаемую стенку между двумя веществами или фазами.
Массоотдача — массообмен между движущейся средой и поверхностью раздела с другой средой.
Термодиффузия — массообмен вызванный разностью температур.

Материальный баланс массообменных процессов.

В общем виде материальный баланс массообменных процессов может быть составлен

следующим образом. Обозначим массовые скорости распределяющих фаз вдоль поверхности их раздела (в кг/ч) через G и L, а концентрацию распределяемого вещества соответственно через Y (кг/кг) и X (кг/кг). Если Y > Yp, а потери отсутствуют, то Y уменьшается, а Х увеличивается. Для элемента поверхности имеем: