Турбулентная диффузия и массоотдача

Механизм конвективной диффузии накладывается на молекулярный перенос, характерный для ламинарного движения и по мере усиления турбулентности потока становится преобладающим фактором. Скорость массоотдачи увеличивается и в соответствии с уравнением Фика (11.15) может быть представлена следующим образом [c.71]

Кишиневский [228, 229], полагая, что массоперенос в пленке осуществляется путем турбулентной диффузии и что коэффициент диффузии в пленке постоянен, получил для коэффициента массоотдачи зависимость к = 2 у/(где 0-,. - коэффициент турбулентной диффузии), аналогичную формуле Хигби. Время контакта фаз Кишиневский предлагал определять для одиночных пузырьков как время прохождения пузырьком расстояния, равного его радиусу, а в распылительных колоннах — величиной времени между столкновениями капель друг с другом и о стенку. [c.174]

Трактовка рассматриваемых явлений на основе прямого анализа системы дифференциальных уравнений, описывающих конвективную массоотдачу в системах твердая стенка—жидкость и газ—жидкость, дается теорией пограничного диффузионного слоя В этой теории учитывается сложность структуры турбулентности внутри вязкого подслоя, прилегающего непосредственно к поверхности раздела фаз. Весьма существенной является постепенность затухания турбулентных пульсаций в подслое. Вследствие этого, поскольку в жидкостях величина коэффициента молекулярной ди(М)узии Оа обычно во много раз меньше величины кинематической вязкости V (v/Dд > 1), турбулентные пульсации, несмотря на их затухание, играют существенную роль в переносе массы почти до самой границы фаз. Пренебречь их влиянием можно лишь в пределах подслоя, названного диффузионным , толщина которого в жидкостях значительно меньше толщины вязкого подслоя. В пределах этого диффузионного подслоя преобладающим является перенос молекулярной диффузией. [c.101]

При наличии перемешивания фаз эффективный коэффициент диффузии >3 складывается из коэффициентов турбулентной и молекулярной О диффузии. В такой турбулизованной системе, как взвешенный слой подвижной пены, движение передаваемого компонента -из глубины газовой или жидкой фазы к поверхности соприкосновения осуществляется преимущественно в результате турбулентной диффузии, т. е. превалирует От-. Незначительность влияния О показана в опытах по десорбции азота и водорода из водных растворов [2801. Однако большинство исследователей считает оправданным включение диффузионных коэффициентов в формулы для расчета коэффициентов массоотдачи. [c.130]

Впоследствии были предложены модифицированные модели обновления поверхности, авторы которых стремились уточнить механизм нестационарного переноса, слишком упрощенный в модели проницания (пренебрежение турбулентной Диффузией, допущение о постоянстве периода проницания 6). В модели, предложенной М. X. Кишиневским, допускается, что массоотдача вплоть до границы раздела фаз осуществляется совместно молекулярной и турбулентной диффузией, и поэтому в уравнение (Х,24) вместо D необходимо вводить эффективный коэффициент диффузии Одф = D - - e . [c.398]

Коэффициенты массоотдачи. В тех случаях, когда распределение скоростей и влияние турбулентной диффузии неизвестны и, следовательно, скорость переноса массы нельзя непосредственно рассчитать, ее определяют опытным путем. Полученные опытные данные стремятся скоррелировать, обычно используя для этого коэффициенты массоотдачи к, которые находят из уравнений [c.191]

Для системы триоксид серы — серная кислота (моногидрат) принято считать, что скорость массопередачи определяется скоростью массоотдачи в газовой фазе. Коэффициент массопередачи определяет коэффициент диффузии, для случая молекулярной диффузии он обратно пропорционален давлению. В реальных аппаратах степень турбулизации газовой фазы очень велика и турбулентная диффузия превалирует над молекулярной. Поэтому значение коэффициента массопередачи с ростом общего давления падает нелинейно. Несмотря на уменьшение коэффициенты массопередачи с ростом давления скорость абсорбции увеличивается за счет повышения движущей силы. [c.205]

Кинг [79], рассматривая массоотдачу в жидкую фазу от свободной поверхности жидкости, ввел в модель проницания переменный коэффициент турбулентной диффузии. Было принято, что Ео является степенной функцией расстояния от поверхности. Установлено, что показатель этой степенной функции равен четырем. Время контакта t остается в качестве переменной, хотя и обсуждается возможность использования функции распределения элементов поверхности по возрастам . Анализ, который связан в основном с изучением зависимости от О, показывает, что переход от модели проницания к модели турбулентного пограничного слоя происходит плавно с увеличением времени контакта. [c.181]

В настоящей главе основное внимание уделяется молекулярной диффузии, поскольку считается, что именно благодаря ей реагирующие молекулы движутся через среду вблизи границы раздела фаз. Однако хорошо известен еще один механизм, и, возможно, он оказывает значительное влияние на коэффициенты массоотдачи. Данный механизм сводится к переносу материала за счет турбулентной диффузии, при которой происходит случайное перемещение молекул вследствие образования небольших завихрений среды, состоящей из таких молекул, а также перемещение отдельных молекул. Как установлено в главе 4, скорости подобных процессов лишь слабо зависят от коэффициентов молекулярной диффузии. Этот подход совсем ие похож на тот, который использован Данквертсом в модели обновления поверхности, хотя оба они представляют собой способ описания случайного перемещения среды около поверхности. В случае модели Данквертса завихрения остаются неизменными, пока они находятся вблизи поверхности и абсорбируют газ, который постепенно распространяется в завихрения благодаря молекулярной диффузии. Все же, если пограничная область образована средой, которая характеризуется наличием очень небольших отдельно существующих турбулентных потоков, то турбулентная диффузия может сильно сказываться на процессе массообмена возле поверхности. Здесь участки среды не будут находиться в покое б течение времени, достаточного для эффективного протекания молекулярной диффузии. [c.368]

Вещество в пределах каждой фазы переносится молекулярной и турбулентной диффузией. Теоретический расчет коэффициентов массоотдачи, основывающийся на совместном решении уравнений гидродинамики и конвективной диффузии, возможен только для некоторых наиболее простых случаев, не имеющих практического значения для воздухоразделительных колонн. [c.373]

Кишиневский [32—36] расширил теорию Хигби, предположив, что массоотдача к элементарным вихрям происходит в результате молекулярной и турбулентной диффузии (соответствующие коэффициенты диффузии О А и В а). Поэтому в формулу (VI- ) Кишиневский ввел эффективный коэффициент диффузии [c.296]

В турбулентных потоках интенсивность переноса массы, тепла и количества движения определяется в основном коэффициентами турбулентной диффузии Д, температуропроводности и вязкости Все они имеют одинаковую природу (связаны с турбулентными пульсациями скорости) и по величине очень близки, а уравнения турбулентного переноса массы, тепла и количества движения имеют одну и ту же форму. Поэтому для определения скорости массопереноса широко используется аналогия не только с процессами переноса тепла (см. уравнения (5.2.3.9)), но и с процессами переноса импульса (гидродинамическая аналогия). Известные в литературе многочисленные гидродинамические аналогии устанавливают связь между коэффициентом массоотдачи и коэффрщиентом трения турбулентного потока, который в экспериментах определяется значительно проще. [c.293]

Ключевой задачей теории является определение степени затухания коэффициентов турбулентного обмена с приближением к межфазной границе. Недостаточная разработанность теории турбулентности вообще и особенно в применении к системам жидкость—газ не позволяет пока сделать это строго, исходя лишь из гидродинамических соображений. Однако количественная оценка характера затухания возможна на основе надежных экспериментальных данных о зависимости коэффициента массоотдачи от коэффициента молекулярной диффузии. Показатели степени в законе затухания коэффициентов турбулентного обмена и в зависимости к от Оа связаны простым соотношением. Поэтому выявление характера влияния О а на ки по выражению Д. А. Франк-Каменецкого позволяет как бы физико-химически зондировать пограничный слой. В частности, для свободной границы жидкость-газ, как будет показано ниже, многочисленными экспериментальными работами в большинстве практически важных случаев установлена пропорциональная зависимость между к и коэффициентом молекулярной диффузии в степени 0,5. Это соответствует полученным на основании некоторых допущений предсказаниям основанным на квадратичном законе затухания. Доп. пер. [c.101]

В соответствии с теорией межфазной турбулентности предполагается, что на границе раздела фаз имеются интенсивные турбулентные пульсации, которые приводят к возникновению вихревого движения, сопровождающегося взаимным проникновением вихрей-в обе фазы. Количественный учет межфазной турбулентности может быть произведен с помощью безразмерного фактора гидродинамического состояния двухфазной системы. На основе теории межфазной турбулентности получены выражения локальных коэффициентов массоотдачи для различных гидродинамических режимов движения потоков, отличающиеся показателем степени нри коэффициенте диффузии, который изменяется от нуля в режиме развитой турбулентности до 2/3 в ламинарном режиме. Кроме того, вводятся факторы, зависящие от гидродинамической структуры и физических характеристик фаз. [c.344]

Как показано на рис. Х-16, в моменты времени т ,, . концентрации в твердой фазе изменяются соответственно от Сх, Са,. . с (в ядре фазы) до Сх гр, Сг гр, гр(на границе раздела). Далее распределяемое вещество диффундирует через пограничный слой жидкой (газовой или паровой) фазы. Здесь, как отмечалось, наблюдается постепенное затухание турбулентности и значительно более резкое изменение концентрации, приближающееся к линейному непосредственно у твердой поверхности, где молекулярная диффузия становится фактором, определяющим скорость процесса. Наконец, в ядре омывающей фазы — области внешней массоотдачи, происходящей обычно путем конвективного переноса, — концентрация снижается, прибли- [c.431]

Уравнение (П-31) показывает, что по пленочной модели коэффициент массоотдачи зависит от коэффициента диффузии D и от толщины пленки Zq. Последняя определяется гидродинамическими условиями чем больше турбулентность фазы, тем меньше 2о и, следовательно, тем выше . [c.102]

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что в данных условиях не только увеличивается скорость переноса вещества, но и коренным образом изменяется механизм переноса. Молекулярная диффузия не оказывает существенного влияния на скорость массоотдачи в жидкой фазе при определенных условиях диффузионное торможение в жидкой фазе вблизи границы раздела фаз полностью снимается. Это свидетельствует о конвективном механизме переноса вещества в зоне, примыкающей к поверхности раздела фаз. Возникновение поверхностной конвекции не связано с турбулентными пульсациями потока, которые в условиях опытов также не оказывают при Неж<1600 заметного влияния на процесс массопередачи. При Кеж>1600 перенос вещества обеспечивается конкурирующей поверхностной конвекцией и турбулентностью потока. [c.116]

Двухпленочная теория не учитывает деформации поверхности контакта фаз и переноса, обусловленного турбулентными пульсациями. Поэтому вытекающая из этой теории линейная зависимость коэффициентов массоотдачи от коэффициентов диффузии переносимого вещества для систем с подвижной границей фазового контакта чаще всего экспериментально не подтверждается. [c.462]

Выражение (4.82) является достаточно общим, и позволяет рассчитать коэффициенты массоотдачи на основе коэффициентов молекулярной диффузии, а также известного характера изменения коэффициента турбулентной диффузии 0] у) и относительного диффузионного потока / у) в пофаничном слое [1,34 - 37]. Для массоотдачи через свободную (подвижную) поверхность контакта фаз в системах газ - жидкость, жидкость - жидкость на сегодняшний день не существует универсальных методов нахождения коэффициентов турбулентной диффузии. Поэтому для определения коэффициента массоотдачи удобно воспользоваться упрощенными моделями. Наиболее простой является пленочная модель, где предполагается, что [c.146]

В диапазоне размеров капель 3-10" м< к <8-10 м, когда существенными становятся эффекты осцилляции капель и отклонения от сферической формы (капли периодически осциллируют, принимая последовательно шарообразную и эллипсоидальную форму), но движение жидкости внутри капли не является полностью турбулентным, не применимо ни одно из перечисленных выражений для коэффициента массоотдачи в капле. В этом случае можно использовать метод Кольдербенка и Корчинского, который заключается в использовании выражения (6391) с заменой коэффициента молекулярной диффузии на коэффициент турбулентной диффузии. Для ориентировочного определения коэффициента турбулентной диффузии можно использовать соотношение, полученное в результате сравнения выражений (6.390) и (6.392) [c.306]

Величины Асд или Ахл представляют собой разности концентраций на пути, проходимом диффундирующими частицами. Коэффициент массоотдачи к учитывает влияние на скорость переноса режима движения жидкости, а также коэффициентов молекулярной и турбулентной диффузии. В настоящее время существуют две основные точки зрения на механизм массопередачи пленочная теория и теория проникновения, или теорияобновления поверхности. [c.191]

Остальные теории дают зависимость коэффициентов массоотдачи от различных факторов. Согласно теории проницания и обновления поверхности Хигби [6], кт 0 < . По Кишиневскому [7] (модифицированная теория проницания и обновления поверхности), (0+,0т)° . Пратт [8] также считает, что к определяется только диффузионными факторами. У Кафарова [9] по теории межфазной турбулентности коэффициент массоотдачи в условиях развитой свободной турбулентности не зависит от молекулярной диффузии и вязкости, а целиком определяется турбулентной диффузией к В ), где р изменяется в зависимости от режима турбулентности. [c.97]

При движении газа в каналах с орошаемыми стенками переход от ламинарного движения газа к турбулентному происходит так же, как и в трубах при Rep 2300. Однако резкого изменения скорости массопереноса при этих числах R r не наблюдается. При ламинарном режиме течения соотношения для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе Рг можно найти, решая задачу массообмена газового потока с неподвижной стенкой путем интегрирования уравнения конвективной диффузии (5.2.2.1). Предполагается, что движение газа стационарно и прямолинейно и продольным диффузионным переносом вещества можно пренебречь по сравнешио с конвективным. В этом случае [c.292]

Для капель коэффициенты массоотдачи дисперсной и сплошной фаз являются, по-видимому, величинами одного порядка, так как коэффициенты турбулентной диффузии будут одинаковыми на поверхности капель. Из рис. 25 видно, что это предположение верно, хотя оно требует дальнейшего подтверждения в опытах с системами, свободными от меж-фазовых эффектов. До того, как эта теория будет количественно подтверждена, необходимо получить данные по изменению турбулентной вязкости и диффузии вдоль поверхности раздела, например, посредством изучения профилей скоростей и концентраций. Следует отметить, что в соответствии с рис. 26,а волнообразование на поверхности раздела может рассматриваться как проявление переноса турбулентности. Однако это не обязательно в свете наблюдений Льюиса, установившего, что скорость массопередачи в его ячейке была несколько выше при вращении мешалок в одну сторону, чем при вращении их в противоположные стороны, хотя в первом случае не происхсдило волнообразования на поверхности раздела фаз. Поэтому очень возможно, что вихри передаются через гладкую поверхность путем действия сил трения (рис. 26,6). [c.85]

Понимая, что теория проницания в своем первоначальном виде непригодна для описания массообмена при турбулентном движении фаз, Коларж [29, 30] предпринял попытку связать время контакта т с характеристическими параметрами турбулентности в потоке, обтекающем твердую поверхность. Основной постулат теории Коларжа состоит в допущении, что перенос массы и тепла с твердой поверхности в объем лимитируется сопротивлением турбулентных пульсаций масштаба Яо, равного внутреннему масштабу турбулентности (т. е. такому критическому размеру турбулентных пульсаций, при котором начинают сказываться вязкие силы). Если предположить, что турбулентные вихри масштаба вплотную подходят к стенке и что перенос внутри таких вихрей осуществляться посредством нестационарной молекулярной диффузии, то для коэффициента массоотдачи получится выражение [c.175]

Скорость переноса вещества н фазе обратно пропорциональна сопротивлению сред1.(, которое складывается из сопротивлений, оказываемых основной массой среды, буферным и пограничным слоями. Часто оказывается удобным условно рассматривать все явление массоотдачи как происходящее за счет только молекулярной диффузии в области постоянного градиента концептрации или, в случае газов, постоянного градиента парциального давления. В этом случае вводится фиктивная толщина ламинарного слоя бе, в котором сонротивление диффузии принимается равным сумме сопротивлений реального ламинарного слоя, буферного слоя и турбулентной зоны. [c.71]

Массообмен. Перенос массы в направлении поверхности соприкосновения фаз может происходить в результате молекулярной диффузии и конвекции, вызва.нной гидростатическими силами, течением потока или использованием перемешивающих устройств. Отдельный случай представляет собой движение турбулентного потока, в котором можно различить две зоны ламинарную (слой около поверхности соприкосновения фаз — пограничный слой) и турбулентную (в глубине фазы — ядро потока). В ламинарном слое вещество переносится главным образом молекулярной диффузией, а в турбулентной зоне в основном вследствие завихрений и флуктуаций локальной скорости движения потока. Считая, что в турбулентной зоне концентрация практически выравнивается, перенос массы в такой системе можно представить как молекулярную диффузию через пограничный ламинарный слой с эффективной (приведенной) толщиной. Перенос вещества до границы раздела фаз называется массоотдачей. [c.244]

Тур и Марчелло [231] рассматривали пленочную и пенетращюнную теории как крайние случаи процесса переноса, для которых в формулах коэффициента массоотдачи показатель степени при коэффициенте диффузии принимает предельные значения, равные 1 и 0,5, соответственно. Они считали, что в реальных условиях значения показателя степени могут колебаться между этими величинами. Предложенная ими пленочно-пенетрационная модель также основана на идее обновления поверхности турбулентными вихрями, но с более гибким учетом периода обновления. При малых временах пребывания вихря на поверхности процесс массопередачи нестационарен (пенетрационная теория), тогда как при больших временах успевает установиться постоянный градиент концентраций и наблюдается стационарный режим (пленочная теория). Для произвольных значений времен обновления модель учитьгеает оба механизма массопередачи — стационарный и нестационарный. Математическая формулировка пленочно-пенетрационной модели сводится к решению уравнения (4.12) при условии, что постоянное значение концентрации задается не на бесконечность, как в модели Хигби, а на конечном расстоянии от поверхности тела. Величина этого расстояния, как правило, неизвестна, и не указаны какие-либо надежные модели ее определения. [c.175]

Для определения коэффициентов массоотдачи применяются ди-фузионные ячейки [112, 113] с неподвижными жидкостями. Лучшее приближение к рабочим условиям в экстракционных аппаратах даютячейки с перемешиванием жидкости, так как в них можно определить влияние турбулентности на массопередачу [22, 48, 54]. В таких ячейках Дэви [22] исследовал скорость диффузии различных солей (хлорида калия, бромида калия, иодида калия, натрия, лития [c.79]

Наиболее ранняя пленочная модель была предложена Льюисом и Уитменом, развившими взгляды Нернста на кинетику растворения твердых тел и некоторых других гетерогенных процессов. Согласно этой модели, в каждой фазе непосредственно к ее границе примыкают неподвижные или ламинарно движущиеся пленки, в которых перенос осуществляется только молекулярной диффузией. В пленках сосредоточено все сопротивление массоотдаче. Поэтому градиенты концентраций возникают лишь внутри пограничных пленок, в ядре фазы концентрации постоянны и равны средним концентрациям. Кроме того, в модели приняты допущения, указанные выше. Таким образом, этой модели соответствует схема, отличающаяся от приведенной на рис. Х-5 тем, что весь пограничный слой является областью, где отсутствует перемешивание турбулентными пульсациями и изменение концентрации в нем происходит линейно. [c.396]

В наиболее ранней модели этой группы — модели проницания, или пенетра-ционной модели Хигби, — принимается, что массоотдача происходит во время контакта с поверхностью раздела быстро сменяющих друг друга элементов жидкости (газа или пара), переносимых из ядра к границе раздела турбулентными пульсациями. При этом свежие элементы смывают уже прореагировавшие и, следовательно, массоотдача осуществляется при систематическом обновлении поверхности раздела фаз. Контакт с этой поверхностью является столь кратковременным, что процесс массоотдачи не успевает стать установившимся и перенос в промежутках между обновлениями поверхности происходит путем нестационарной молекулярной диффузии, условно названной проницанием (пенетрацией). Допускается, что все вихри, достигающие поверхности раздела, имеют одну и ту же продолжительность существования, или возраст и, таким образом, время контакта 0 для всех элементов одинаково. [c.398]

МАССООБМЕН, необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или неск. фаз. Осуществляется в результате хаотич. движения молекул (мол. диффузия), макроскопич. движения всей среды (конвективный перенос), а в турбулентных потоках-также в результате хаотич. движения вихрей разл. размера. М. включает массоотдачу (перенос в-ва от границы раздела в глубь фазы) имассопе-редачу (перенос в-ва из одной фазы в другую через пов-сть раздела фаз). Различают эквимолярный М. (напр., ректификация), при к-ром через пов-сть раздела фаз в противоположных направлениях переносится одинаковое кол-во компонентов, и веэквимолярный (напр., абсорбция). [c.653]

Первое направление исследований процесса массоотдачи основано на составлении и интегрировании уравнений конвективной диффузии и гидродинамики. Это аналитическое и численное направление, однако, развивается лишь в весьма узких областях теории переноса. Надежные решения получены исключительно для задач тепло-и массообмена, связанных с обтеканием одиночной пластины, шара или црлипдра, переносом к вращающемуся диску и тому подобных задач [46, 68, 100, 117, 156, 206, 211 [. Даже для случая ламинарного течения жидкости решение перечисленных выше задач требует интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных. Проблема турбулентного течения вообще до сих пор не имеет строгого теоретического решения [117, 211]. [c.177]

Сравнение выражений ( .34) и ( .33) приводит к выводу, что физические свойства жидкости (V и /) ) одинаково влияют как на толщину диффузионного пограничного слоя в ламинарном потоке жидкости, так и на толщину диффузионного подслоя в турбулентном потоке жидкости. Если принять, что основное сопротивление массоотдаче от поверхности в обтекающую ее жидкость создается диффузионным подслоем, в котором перенос вещества происходит путем молекулярной диффузии, то поток вещества / можно выразить соотношениями [c.421]

Как было показано выше, расчет массоотдачи в однокомпоиент-пых подвижных средах заключается в совместном решении уравнений переноса массы и количества движения. По аналогии с этим современный метод описания процессов массообмена в двухфазных системах с подвижной границей раздела фаз заключается в решении уравнений переноса вещества совместно с рассмотренными в гл. И уравнениями математических моделей структур потоков (из числа последних наиболее распространены диффузионная и ячеечная модели). В диффузионной модели перенос вещества рассматривается как результат массообмена, переноса за счет массового движения потока и обратного перемешивания ( диффузии ), обусловленного крупномасштабными турбулентными пульсациями и неоднородностью потока. Уравнение материального баланса составляется для бесконечно малого объема аппарата. Это уравнение формулирует тот факт, что убыль количества произвольного компонента в одной фазе равна увеличению его количества в другой фазе. Для случая массообмена при противотоке фаз уравнение материального баланса имеет вид [c.580]