Массоперенос — это чистое перемещение массы из одного места (обычно подразумевая поток, фазу , фракцию или компонент) в другое. Массоперенос происходит во многих процессах, таких как абсорбция , испарение , сушка , осаждение , мембранная фильтрация и дистилляция . Массоперенос используется в различных научных дисциплинах для различных процессов и механизмов. Эта фраза обычно используется в технике для физических процессов, которые включают диффузионный и конвективный перенос химических веществ в физических системах .
Некоторые распространенные примеры процессов массопереноса — испарение воды из пруда в атмосферу , очистка крови в почках и печени , а также перегонка спирта. В промышленных процессах операции массопереноса включают разделение химических компонентов в ректификационных колоннах, абсорберах, таких как скрубберы или отпарные установки, адсорберах, таких как слои активированного угля, и экстракцию жидкость-жидкость . Массоперенос часто сочетается с дополнительными процессами транспортировки , например, в промышленных градирнях . Эти башни сочетают теплопередачу с массопереносом, позволяя горячей воде течь в контакте с воздухом. Вода охлаждается путем вытеснения части ее содержимого в виде водяного пара.
В астрофизике перенос массы — это процесс, при котором материя , гравитационно связанная с телом, обычно звездой , заполняет ее полость Роша и становится гравитационно связанной со вторым телом, обычно компактным объектом ( белым карликом , нейтронной звездой или черной дырой ), и в конечном итоге аккрецируется на него. Это обычное явление в двойных системах , и оно может играть важную роль в некоторых типах сверхновых и пульсаров .
Массоперенос находит широкое применение в задачах химической инженерии . Он используется в реакционной инженерии, разделительной инженерии, теплопередающей инженерии и многих других поддисциплинах химической инженерии, таких как электрохимическая инженерия. [1]
Движущей силой массопереноса обычно является разность химического потенциала , когда ее можно определить, хотя другие термодинамические градиенты могут также связываться с потоком массы и управлять им. Химическое вещество перемещается из областей с высоким химическим потенциалом в области с низким химическим потенциалом. Таким образом, максимальная теоретическая степень данного массопереноса обычно определяется точкой, в которой химический потенциал становится однородным. Для однофазных систем это обычно означает равномерную концентрацию по всей фазе, в то время как для многофазных систем химические вещества часто предпочитают одну фазу другим и достигают однородного химического потенциала только тогда, когда большая часть химических веществ поглощается предпочтительной фазой, как при экстракции жидкость-жидкость .
В то время как термодинамическое равновесие определяет теоретический объем данной операции массопередачи, фактическая скорость массопередачи будет зависеть от дополнительных факторов, включая модели потока в системе и коэффициенты диффузии видов в каждой фазе. Эту скорость можно количественно оценить путем расчета и применения коэффициентов массопередачи для всего процесса. Эти коэффициенты массопередачи обычно публикуются в терминах безразмерных чисел , часто включая числа Пекле , числа Рейнольдса , числа Шервуда и числа Шмидта , среди прочих. [2] [3] [4]
Существуют заметные сходства в обычно используемых приближенных дифференциальных уравнениях для переноса импульса, тепла и массы. [2] Уравнения молекулярного переноса закона Ньютона для импульса жидкости при низком числе Рейнольдса ( поток Стокса ), закон Фурье для тепла и закон Фика для массы очень похожи, поскольку все они являются линейными приближениями к переносу сохраняющихся величин в поле потока. При более высоком числе Рейнольдса аналогия между переносом массы и тепла и переносом импульса становится менее полезной из-за нелинейности уравнения Навье-Стокса (или, что более фундаментально, общего уравнения сохранения импульса ), но аналогия между переносом тепла и массы остается хорошей. Было приложено много усилий для разработки аналогий между этими тремя процессами переноса, чтобы можно было предсказать один из любого другого.