Конвективный перенос вещества осуществляется под действием турбулентных пульсаций.

Молекулярная диффузия – перенос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением молекул, атомов, ионов, коллоидных частиц. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика. Масса вещества, продиффундировавшего за время τ через элементарную поверхностьF (нормальную к направлению диффузии), пропорционально градиенту концентрации этого вещества.

Коэффициент молекулярной диффузии D представляет собой физическую константу. Коэффициент показывает, какая масса вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации равном единице и характеризует способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду. Коэффициент является функцией свойств распределяемого вещества и свойств среды, через которую оно диффундирует, температуры и давления.

Механизм процессов массопереноса. Чисто теоретически механизм процесса массопереноса рассчитать сложно, так как механизм переноса к границе раздела фаз путем турбулизации и молекулярной диффузии недостаточно изучен в плане гидродинамических закономерностей турбулентных потоков, особенно вблизи границы раздела подвижных фаз.

Рисунок 1 - Схема распределения концентраций в фазах в процессе массопередачи

На данном слайде приведена схема, поясняющая процесс массопередачи между жидкостью и газом или между двумя жидкостями. Фазы движутся с некоторой скоростью друг к другу и разделены подвижной поверхностью раздела. (слайд №4)

В результате этих частных процессов, а также преодоления сопротивления переносу через самую поверхность раздела фаз 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 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 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 раздела перенос резко замедляется, так как его скорость уже определяется скоростью молекулярной диффузии.

Такой характер изменения концентраций объясняется тормозящим действием сил трения между фазами и сил поверхностного натяжения на границе жидкой фазы.

Модели процессов массопереноса. Механизм массоотдачи характеризуется сочетанием молекулярного и конвективного переноса. Еще более сложным является процесс массопередачи, включающий в качестве составляющих процессы массоотдачи по обе стороны границы раздела фаз. В связи с этим предложен ряд теоретических моделей, представляющих собой упрощенные схемы массопередачи.

Пленочная модель. Была предложена Льюисом и Уитменом. Она развивала взгляды Нернста на кинетику растворения твердых тел. Согласно этой модели, в каждой фазе непосредственно к ее границе примыкают неподвижные или ламинарно движущиеся пленки, в которых перенос осуществляется только молекулярной диффузией. В пленке сосредоточено все сопротивление массоотдаче. Поэтому градиенты концентраций возникают только внутри пограничных пленок. Согласно пленочной модели, количество вещества q перешедшего в единицу времени через единицу поверхности, пропорционально разности концентраций в ядре и на границе фазы, если перенос происходит от ядра к поверхности раздела фаз.

Более точно учитываются условия раздела в модифицированной пленочной модели, называемой моделью диффузионного пограничного слоя. Этой модели отвечает схема распределения концентрации в жидкой и газовой фазах. (рис.2; слайд 5).

Рисунок 2 - Схема распределения концентраций в жидкой и газовой фазах

Концентрация вещества, постоянная в ядре потока фазы (с₀) медленно снижается в турбулентном приграничном слое, где вначале вещество переносится преимущественно турбулентными пульсациями. С приближением к границе фазы и уменьшением масштаба пульсаций на участке толщины слоя, в так называемом вязком подслое. Однако на большей части толщины δ₀ вязкого подслоя турбулентной диффузией переносится большее количество вещества, чем молекулярной. Лишь в самой глубине вязкого подслоя, внутри тонкого диффузного подслоя толщиной δ, непосредственно примыкающего к границе раздела фаз, молекулярный перенос становится преобладающим.