Основы диффузионного массопереноса

Диффузия (от лат. diflusio – распространение, растекание, рассеивание), перенос частиц разной природы, обусловленный хаотичным тепловым движением молекул (атомов) в одно- или многокомпонентных газовых либо конденсированных средах. Такой перенос осуществляется при наличии градиента концентрации частиц или при его отсутствии; в последнем случае процесс называется самодиффузией. Различают диффузию коллоидных частиц (это дисперсные системы, как, например, дымы и золи, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами – взвесями и эмульсиями; размеры коллоидных частиц варьируются в пределах от 10^-7 до 10^{-5 см), в твердых телах, молекулярную, нейтронов, носителей заряда в полупроводниках и перенос частиц в движущейся с определенной скоростью среде (конвективная диффузия.) и др.}

Самым известным примером диффузии является перемешивание газов (например, молекулы духов смешиваются с молекулами газов воздуха, и аромат духов можно почувствовать, стоя вдали от человека, надушившегося ими) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц — очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет.

Стоит заметить, что процессы массопереноса напрямую зависят от тепловых процессов происходящих в системе. В данном разделе представлены основы массопереноса и некоторые аналогии с теорией теплопередачи, поскольку теорией тепломассопереноса занимается отдельная сложная наука – теплотехника.

Все виды диффузии подчиняются однотипным законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень с диаметром в два сантиметра, чем через стержень с диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться в два раза быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов – электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии пропорциональна в связи с этим средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры.

Например, если в смеси газов одна молекула в четыре раза тяжелее другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами.

В гидравлических системах важную роль занимает процесс переноса некоторой компоненты сме­си из области с высокой концентрацией этой компоненты в область с меньшей концентрацией, который называют массообменном.

Различают диф­фузионный массообмен и конвективный массообмен. Диф­фузионный массообмен в среде (также часто называемый моле­кулярным массообменом) происходит главным образом в результате молекулярного движения.

Диффузия одного компо­нента в смеси, находящейся по существу в стационарном со­стоянии, в направлении уменьшения концентрации этого ком­понента аналогична переносу тепла теплопроводностью в направлении уменьшения температуры. Хорошо известным при­мером диффузионного массообмена является перенос распыляе­мого из баллончика аэрозоля в неподвижном воздухе комнаты. Аэрозоль из места распыления распространяется по всей ком­нате. Аналогично мокрая одежда, находящаяся в комнате, в ко­нечном счете, высыхает, поскольку водяной пар с высокой кон­центрацией, окружающий одежду, диффундирует в более сухой воздух и т.д.

Конвективный массообмен включает перенос компонента вследствие движения всей массы жидкости. Процесс конвектив­ного массообмена аналогичен процессу конвективного теплобмена. Конвективный массообмен может быть вынужденным и свободным. Если движение жидкости обусловлено разностью плотностей, процесс является свободным конвективным массо­обменом, а если движение жидкости вызывают внешние устрой­ства, такие, как вентилятор или насос, процесс принято класси­фицировать как массообмен при вынужденной конвекции. Существуют многочисленные примеры процессов конвективного массообмена, такие, как увлажнение, дистилляция, экстракция жидкости, абсорбция газа, выщелачивание.