Массоперенос — это чистое перемещение массы из одного места (обычно имеется в виду поток, фаза , фракция или компонент) в другое. Массоперенос происходит во многих процессах, таких как абсорбция , испарение , сушка , осаждение , мембранная фильтрация и дистилляция . Массоперенос используется в разных научных дисциплинах для разных процессов и механизмов. Эта фраза обычно используется в технике для обозначения физических процессов, которые включают диффузионный и конвективный перенос химических веществ внутри физических систем .
Некоторыми распространенными примерами процессов массообмена являются испарение воды из пруда в атмосферу , очистка крови в почках и печени и перегонка спирта. В промышленных процессах операции массообмена включают разделение химических компонентов в дистилляционных колоннах, абсорберах, таких как скрубберы или отпарные аппараты, адсорберах, таких как слои активированного угля, и жидкостно-жидкостную экстракцию . Массоперенос часто сочетается с дополнительными процессами транспортировки , например, в промышленных градирнях . В этих градирнях передача тепла сочетается с массообменом, позволяя горячей воде течь в контакте с воздухом. Вода охлаждается за счет удаления части ее содержимого в виде водяного пара.
В астрофизике массоперенос — это процесс, посредством которого материя , гравитационно связанная с телом, обычно со звездой , заполняет свою полость Роша и становится гравитационно связанной со вторым телом, обычно с компактным объектом ( белым карликом , нейтронной звездой или черной дырой ), и в конечном итоге прикрепляется к нему. Это обычное явление в двойных системах и может играть важную роль в некоторых типах сверхновых и пульсаров .
Массоперенос находит широкое применение в задачах химической технологии . Он используется в реакционной технике, технике разделения, технике теплопередачи и многих других разделах химической технологии, таких как электрохимическая инженерия. [1]
Движущей силой массопереноса обычно является разница в химическом потенциале , если ее можно определить, хотя другие термодинамические градиенты могут связываться с потоком массы и также вызывать его. Химический вид 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 однороден. Для однофазных систем это обычно означает равномерную концентрацию по всей фазе, тогда как для многофазных систем химические соединения часто предпочитают одну фазу другим и достигают однородного химического потенциала только тогда, когда большая часть химических веществ абсорбируется в предпочтительной фазе. , как при жидкостно-жидкостной экстракции .
Хотя термодинамическое равновесие определяет теоретический объем данной операции массообмена, фактическая скорость массообмена будет зависеть от дополнительных факторов, включая структуру потока внутри системы и диффузионную способность частиц в каждой фазе. Эту скорость можно определить количественно путем расчета и применения коэффициентов массопередачи для всего процесса. Эти коэффициенты массопередачи обычно публикуются в виде безразмерных чисел , часто включая числа Пекле , числа Рейнольдса , числа Шервуда и числа Шмидта , среди других. [2] [3] [4]
Есть заметное сходство в обычно используемых приближенных дифференциальных уравнениях для переноса количества движения, тепла и массы. [2] Молекулярные уравнения переноса закона Ньютона для импульса жидкости при низком числе Рейнольдса ( поток Стокса ), закона Фурье для тепла и закона Фика для массы очень похожи, поскольку все они являются линейными приближениями к переносу сохраняющихся величин в потоке. поле. При более высоких числах Рейнольдса аналогия между массой, теплопередачей и передачей импульса становится менее полезной из-за нелинейности уравнения Навье -Стокса (или, более фундаментально, общего уравнения сохранения импульса ), но аналогия между теплом и массопереносом остается хорошей. . Много усилий было потрачено на разработку аналогий между этими тремя транспортными процессами, чтобы можно было предсказать один из других.