Bazele Transferului de Masă

CAPITOLUL 1.

OPERAȚII DE DIFUZIUNE

1.1 BAZELE TRANSFERULUI DE MASĂ

În industria chimică și petrochimică , un număr mare de procese tehnologice necesită contactul direct al fazelor participante și trecerea , odată cu acesta , a unor componente dintr-o fază în alta , realizându-se astfel un schimb de substanță ( de masă) între fazele în contact direct. Realizarea schimbului de masă între fazele în contact presupune deplasarea relativă a componentelor respective în fiecare fază , deplasare numită difuziune, direcția de deplasare finnd dată de sensul de variație al concentrației componentelor în fazele respective. O serie de operatii unitare specifice industrie chimice și petrochimice se bazează pe difuziunea unei faze –solide, lichide, sau gazoase – în interiorul aceleași faze sau între două faze în contact direct , realizând cea ce se numește transferul de masă . Asemenea operații sunt : distilarea , rectificarea, absorbția, extracția, adsorbția, uscarea etc.

Aceste operații presupun deplasarea a cel puțin uneia din faze de obicei faza gazoasă sau lichidă și contactul nemijlocit cu cealaltă fază (solidă sau lichidă ) . Prin contactul nemijlocit al fazelor se formează o suprafață de contact prin care are loc difuziunea și a cărei mărime infuențeză direct viteza operației. Tuturor acestor operații le sunt comune același legi care stabilesc sensul și viteza de deplasare a componentelor a căror concentrație variază în aceeași fază sau între două faze – legile difuziunii.

Difuziunea în aceeași fază sau între două faze , apare datorită tendinței către echilibrul fizico – chimic al sistemului în care se manifestă diferență între concentrațiile componentelor respective ; rezultatul difuziunii este uniformizarea concentrațiilor sau realizarea echilibrului între concentrațiile componentelor respective între fazele considerate. În acest mod ,difuziunea apare ca deplasare reciprocă a componentelor în interiorul unui amestec datorită lipsei echilibrului în toate punctele sale.

În funcție de mecanismul de deplasare al componentelor se deosebește difuziunea moleculara și difuziunea turbulentă sau convectivă.

Difuzia moleculară este pătrunderea moleculelor unui corp, printre moleculele altuia, fără să existe curgere. Difuzia explică fluxul net al moleculelor dintr-o regiune de concentrație mai mare la una dintre concentrație mai mică, dar este important de remarcat faptul că difuzia, de asemenea, apare atunci când nu există nici un gradient al concentrației. Rezultatul este o amestecare treptată a particulelor. Într-o fază, cu temperatură uniformă, fiind absente forțe externe nete care acționează asupra particulelor, procesul de difuzie va duce în cele din urmă în amestecarea completă. Exemplu: cerneala și apa. Se auto-amestecă, deci nu există curgere.

La o temperatură mai ridicată, viteza de difuzie este mai ridicată datorită agitației termice care este mai intensă. Agitația termică este mișcarea dezordonată a moleculelor unui corp. În interiorul unui gaz sau lichid, există o presiune care provine din ciocnirea moleculelor între ele și pereții vasului. Difuzia apare la corpurile aflate în toate stările de agregare.

Difuzia moleculară este de obicei descrisă matematic utilizând legea lui Fick. Este unul din fenomenele de transport alături de conductivitate termică și curgerea fluidelor sau transferul de impuls la fluide. Este fundamentul transferului de masă.

Ecuație care exprimă proporționalitatea dintre cantitatea de substanță G , transmisă în unitatea de timp , aria A prin care are loc trecerea de substanțe și gradientul concentației, dc / dx ; semnul minus arată că transportul de masă prin difuziune are loc în sensul în care concentrația scade . Factorial de proporționalitate D se numește coeficient de difuziune moleculară și are dimensiunile D = L2T -1 ; unitățile de măsură ale coeficientului de difuziune în sintemul SI sunt în m2/ s.

Difuziunea convectivă sau turbulentă rezulta în urma mișcării turbulente a mediului , având ca efect deplasarea de susbstanță datorită curenților convectivi care apar. Difuziunea convectivă se exprimă printr-o ecuație analoagă legii lui Fick , în care coeficientul de difuziune moleculară D se înlocuiește prin coeficientul de difuziune convectivă ( turbulentă ) Dt .