ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Элементарные процессы переноса из "Массообменные процессы химической технологии" Элементарные процессы переноса. Перемещение массы целевого компонента внутри капиллярно-пористой структуры реальных материалов может происходить за счет нескольких физических эффектов различной природы. Анализ механизмов переноса обычно проводится в предположении о геометрически правильной структуре пор, в частности считается, что поры имеют форму цилиндров одинакового размера. [c.44] На концах поры достаточно большого размера, значительно превышающего длину свободного пробега молекул целеного компонента, при наличии разности концентраций i — С перемещение компонента происходит вследствие обычной молекулярной диффузии, описываемой законом Фика (1.13). Стационарный поток диффундирующего вещества вдоль прямой поры длиной L и постоянного поперечного сечения имеет простой вид j — D( — Сч) Ь, а общее количество переносимого через пору целевого компонента определяется умножением величины потока / на поперечное сечение поры, при этом конкретный вид поперечного сечения норового канала не имеет значения. [c.44] Если на концах макрокапилляра существует перепад общего давления, то это приводит к перемещению всей массы текучей среды вместе с содержащимся в ней целевым компонентом. Такое перемещение можно рассматривать как течение вязкой среды, причем скорость течения определяется из обычных гидродинамических соотношений для закрытых каналов. Поскольку даже самые крупные капилляры реальных материалов имеют радиусы, не превышающие десятых долей миллиметра, то режим фильтрационного течения вязких жидкостей в таких порах практически всегда ламинарный. Для ламинарного течения несжимаемой среды в канале цилиндрической формы постоянного радиуса г массовый поток имеет вид [1.15] Мс = г (-Р) — P2)f S L), а количество целевого компонента, переносимое через единицу поперечного сечения поры, получается умножением Мс на концентрацию компонента в переносимой среде j — МсС. В выражении для массового потока Pi и Рг — давления на концах канала, v — кинематическая вязкость среды. [c.44] Если сравнивать количества вещества, переносимые за счет вязкого течения и за счет эффузии при одинаковых градиентах давления (Р) — Рг)/ в капиллярах одинакового размера, то перенос сплошной среды оказывается приблизительно на порядок более интенсивным. [c.45] Когда внутри тонкой поры имеется смесь двух или большего числа газов, движение молекул различных газов (паров) в режиме эффузии происходит независимо друг от друга вследствие отсутствия взаимодействия молекул и в соотношение для кнудсеновского потока (1.40) подставляются парциальные давления каждого из компонентов. [c.45] Значительное изменение давления вдоль поры может приводить к тому, что произойдет изменение характера движения потока (например, если в начале капилляра имеет место вязкое течение, то по мере уменьшения давления в конце поры движение переходит в кнудсеновское). В зоне перехода движения газа носит промежуточный характер, относительно которого некоторые эксперименты [10] показывают, что пропускная способность пор в переходном режиме между вязким и эффу-зионным оказывается наименьшей. [c.45] С жидкой фазой в одной и той же поре. При этом возникает еще один элементарный механизм переноса, связанный с действием сил капиллярного давления. Действительно, в поре переменного радиуса мениски жидкости на поверхности контакта фаз обладают различной кривизной (рис. 1.9), сила капиллярного давления со стороны мениска большей кривизны оказывается большей и жидкая фаза перемещается из зоны широкого капилляра в более узкую его часть. Этот эффект обусловливает капиллярное всасывание жидкости из широких пор в узкие. [c.46] В бинарной смеси, заполняющей поры, имеет место еще один вид переноса парогазовой фазы, когда происходит испарение жидкости с поверхности менисков. Поскольку отвод образовавшихся паров от поверхности испарения происходит за счет их диффузии в инертной среде, то в направлении от поверхности испарения возникает конвективный стефановский поток паровоздушной смеси, который вносит свой вклад в общий процесс переноса массы. [c.46] Наличие зон с различными концентрациями целевого компонента может привести к возникновению гравитационной (естественной) конвекции. Однако оценка влияния такой конвекции внутри пор реальных материалов показывает [15], что обычно ее можно считать пренебрежимо малой по сравнению с другими видами переноса массы в порах малого размера (до эквивалентного радиуса 10 —10 м), и только в наиболее крупных капиллярах перемешивание среды вследствие гравитационной конвекции, вызываемой разностью плотностей среды с разными концентрациями целевого компонента, может стать заметным эффектом. [c.46] Некоторые массообменные процессы внутри капиллярно-по-ристых материалов сопровождаются нагревом твердой фазы. Таковы процессы сушки влажных материалов и термической десорбции адсорбентов, предварительно насыщенных целевым компонентом. В процессах адсорбции может происходить разогрев капиллярно-пористого адсорбента за счет выделяющейся теплоты адсорбции. Процессы растворения и кристаллизации веществ также обладают теплотами фазовых переходов, которые могут приводить к появлению градиентов температуры внутри дисперсных твердых частиц. [c.46] Молекулярно-кинетическая теория газов показывает, что термодиффузионный коэффициент пропорционален плотности газа и обратно пропорционален значению температуры Т. [c.47] Когда температурный градиент существует в среде, состоящей из смеси двух газов или паров, термодиффузионный эффект приводит к диффузии более тяжелого газа в направлении отрицательного градиента температуры, а легкого — в обратном направлении. Величина коэффициента термической диффузии в этом случае равна бтд = аг СхС- / , где и Сз — концентрации газов в смеси, а а ц — постоянная, значение которой зависит от механизма взаимодействия между молекулами. Эффект термодиффузионного переноса имеет место не только в парогазовых смесях, но и в жидких растворах. [c.47] Температурный градиент вдоль поры, соединяющей два закрытых объема в капиллярно-пористом материале, может вызвать еще один специфический вид переноса массы, если по тонкому капилляру движение газа (пара) происходит в режиме кнудсеновского течения. Действительно, если длина свободного пробега молекул превышает диаметр капилляра, то молекулы перемещаются навстречу друг другу со скоростями теплового движения без взаимных столкновений и условием механического равновесия системы служит равенство числа молекул во встречных потоках, а не равенство давлений, как это имеет место в случае сплошной среды, когда молекулы сталкиваются преимущественно друг с другом. При этом оказывается, что если при наличии разности температуры в капиллярно-по-ристом материале давление одинаково во всех его точках, то газ по микрокапилляру перемещается в сторону большей температуры. [c.47] Внутри наиболее крупных капилляров может возникать циркуляция среды, вызываемая гравитационной конвекцией за счет разности температур газа и стенки капилляра. Оценка скорости такого циркуляционного движения в ограниченны пространствах пор затруднительна. Однако по мере увеличения размеров капилляров циркуляционный эффект усиливается и вызываемый им перенос массы целевого компонента возрастает. Внутри мелких пор гравитационной циркуляцией, как правило, можно пренебречь по сравнению с другими механизмами переноса. [c.48] Наконец, еще один вид перемещения жидкой фазы в капиллярно-пористом материале связан с наличием внутри пор защемленных объемов газа или пара. По мере увеличения температуры газ расширяется и проталкивает жидкость в капилляре в направлении отрицательного градиента температуры. [c.48] Разность температуры внутри капиллярно-пористых материалов, как правило, не может быть заранее заданной величиной, а является функцией происходящего процесса переноса теплоты и массы внутри частицы и между ее поверхностью и потоком сплощной среды. [c.49] Для больщинства реальных материалов величины конвективных потоков не могут быть рассчитаны аналитическими методами и значения эффективных коэффициентов теплопроводности Хэкв определяются только экспериментально. [c.50] Таким образом, процесс теплообмена внутри капиллярнопористых материалов оказывается связанным с процессами переноса массы. [c.50] Вернуться к основной статье