Плановский А.Н., Николаев П.И. - Массообменные процессы (Теория к экзамену), страница 2
Описание файла
Документ из архива "Плановский А.Н., Николаев П.И. - Массообменные процессы (Теория к экзамену)", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "массообменные процессы" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МПУ. Не смотря на прямую связь этого архива с МПУ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "массообменные процессы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Плановский А.Н., Николаев П.И. - Массообменные процессы (Теория к экзамену)"
Текст 2 страницы из документа "Плановский А.Н., Николаев П.И. - Массообменные процессы (Теория к экзамену)"
Если поверхность фазового контакта массообменного аппарата геометрически неопределима, основной технической характеристикой его может служить объём, высота или число ступеней фазового контакта.
Если в качестве основной характеристики аппарата выбирается его объём, основное уравнение массопередачи целесообразно видоизменить следующим образом:
Пусть (в м3) – объём аппарата и (в м2/м3) – удельная поверхность фазового контакта, развиваемая в 1 м3 объёма. Поверхность фазового контакта: и, следовательно:
где , - объёмные коэффициенты массопередачи.
Очень часто за основную характеристику аппарата принимают его высоту. Обозначим через м2 площадь сечения аппарата, а через м его высоту; тогда .
Эти уравнения могут быть сопоставлены с основным уравнением массопередачи, написанным в форме
Сопоставление уравнений показывает, что высота, эквивалентная единице переноса, имеет смысл величины, обратной коэффициенту массопередачи, а число единиц переноса – величины, обратной движущей силе процесса.
Для определения числа единиц переноса в качестве вспомогательного приёма может служить способ определения числа ступеней изменения рабочих концентраций.
Допуская, что в пределах одной ступени можно с некоторым приближением принять существование линейной равновесной зависимости, для определения общего числа единиц переноса можно предложить равенство:
6. Основные законы массопередачи.
В процессах переноса распределяемого вещества (массы) из одной фазы в другую надлежит различать два случая:
1) перенос из потока жидкости в поток жидкости, или сассообмен между потоками жидкости
2) перенос из твёрдого тела в поток жидкости (или перенос в обратном направлении), то есть массообмен между твёрдой фазой, содержащей внутри пор или капилляров распределяемое вещество, и потоком жидкости.
Элементарными законами, которым подчиняется перенос распределяемого вещества из одной фазы в другую, является закон молекулярной диффузии, закон массоотдачи и закон массопроводности.
Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика)
Количество продиффундировавшего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, и времени:
где - количество продиффундировавшегося вещества, - градиент концентрации в направлении диффузии; - элементарная площадка, черз которую происходит диффузия; - время диффузии; - коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии.
Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества диффундирует через поверхность в 1 м2 в течение 1 ч при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице.
Знак минус в правой части уравнения показывает, что при молекулярной диффузии в направлении перемещения вещества концентрация убывает.
Коэффициент диффузии не является постоянной величиной; численные значения его обычно берут из справочников или находят по следующим формулам:
Для газов:
Для жидкостей:
где - абсолютная температура в °К; - давление в атм; и - мольные объёмы взаимодействующих веществ и ; и - молекулярные веса взаимодействующих веществ; - вязкость жидкости, в которой происходит диффузия, в спз; и - опытные константы, зависящие от природы вещества.
Коэффициент диффузии зависит, прежде всего, от агрегатного состояния систем: так, коэффициент диффузии для газов примерно на четыре порядка выше, чем для жидкостей. Коэффициент диффузии увеличивается с ростом температуры и уменьшается с повышением давления.
Для концентрированных растворов:
где - коэффициент диффузии в растворе с концентрацией ; - активность диффундирующего вещества; - концентрация диффундирующего вещества; - коэффициент активности.
Дифференциальное уравнение молекулярной диффузии (второй закон Фика)
С другой стороны, ту же прибыль качества диффундирующего вещества в элементе параллелепипеда можно найти умножением объёма элемента на изменение концентрации за время , то есть:
Сопоставляя соотношения 11.44 и 11.45, получим дифференциальное уравнение молекулярной диффузии:
Закон массоотдачи (закон Щукарёва)
Закон Щукарёва может быть сформулировать так: количество вещества, перенесённого от поверхности раздела фаз в воспринимающую фазу, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, поверхности фазового контакта и времени.
где - коэффициент массоотдачи, характеризующий перенос вещества конвективными и диффузионными потоками одновременно; - концентрация в воспринимающей фазе у поверхности раздела фаз; - концентрация в ядре потока воспринимающей фазы; остальные обозначения прежние. При этом важно отметить, что концентрация на границе рассматривается как равновесная концентрация.
Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества передаётся от поверхности раздела фаз в воспринимающую фазу через 1 м2 поверхности фазового контакта в течение 1 ч при разности концентраций 1 кг/м3.
Дифференциальное уравнение массоотдачи.
Критериальное уравнение конвективной диффузии. Выведенное дифференциальное уравнение (11.51) является математическим описанием процесса перемещения вещества в жидкой (газовой, паровой) фазе конвективной диффузией. Для полнго математического описания процесса это уравнение должно быть дополнено уравнением, характеризующим условия на границе рассматриваемой фазы. Количества вещества, перемещающегося из фазы в фазу у границы, можно определить исходя из основного закона конвективной диффузии: , или, обозначая , получим:
Это же количество вещества может быть определено другим способом. У поверхности раздела фаз вещество переходит в другую фазу за счёт молекулярной диффузии. На этом участке пути количество переданного из фазы в фазу вещества можно найти исходя из основного закона молекулярной диффузии:
Очевидно, что величина в последнем уравнении и в уравнении (11.52) представляет собой одно и то же количество вещества, выраженное различными способами, и, следовательно:
Уравнения (11.51) и (11.53) не разрешимы для встречающихся в практике случаев и, следовательно, не могут служить для непосредственного определения численных значений коэффициентов массоотдачи. Поэтому в расчётной практике пользуются критериальными уравнениями, полученными из уравнений (11.52) и (11.53).
Для получения диффузионных критериев подобия преобразуем уравнения (11.51) и (11.53) методами теории подобия. Из уравнения (11.53) делением обеих частей уравнения на правую часть получим безразмерный комплекс:
Вычеркнув в полученном комплексе символы дифференцирования, разности и направления (замена х на не ориентированный в определённом направлении линейный размер ), после сокращения получаем диффузионный критерий Нуссельта:
Из дифференциального уравнения конвективной диффузии:
получаем безразмерные комплексы делением всех членов уравнения на :
Вычеркнув в полученных комплексах символы дифференцирования (включая символы порядка дифференцирования) и направления, после сокращений получаем диффузионный критерий Фурье:
И диффузионный критерий Пекле:
Критерий характеризует изменение скорости потока диффундирующей массы во времени; он необходим только для характеристики нестационарных процессов диффузии.
Критерий обычно преобразовывают и представляют его в виде произведения двух критериев:
является критерием гидродинамического подобия, а новый критерий - диффузионный критерий Прандтля – находится лишь по физическим параметрам и характеризует подобие полей физических величин:
В случаях, когда массообмен протекает в условиях естественной конвекции, вызванной разностью плотностей растворов с различной концентрацией, для характеристики процесса вместо критерия (или дополнительно к нему) вводят критерий Грасгофа.
Полученный критерий подобия даёт возможность найти Критериальное уравнение конвективной диффузии:
Из всех критериев уравнения (11.58) только не состоит целиком из условий однозначности, поэтому он является определяемым критерием. Исходя из этого уравнение (11.58) представляется в виде:
Применительно к конкретным задачам массообмена общее критериальное уравнение (11.59) может быть упрощено. При рассмотрении стационарных процессов массообмена из критериального уравнения выпадает критерий , и оно имеет вид: