МАССООБМЕ́Н

МАССООБМЕ́Н (мас­со­пе­ре­да­ча), са­мо­про­из­воль­ный пе­ре­нос мас­сы к.-л. ком­по­нен­та двух- или мно­го­ком­по­нент­ной сис­те­мы, про­ис­хо­дя­щий в пре­де­лах од­ной фа­зы или/и из од­ной фа­зы в дру­гую в на­прав­ле­нии умень­ше­ния хи­мич. по­тен­циа­ла это­го ком­по­нен­та (в про­стей­шем слу­чае – в на­прав­ле­нии умень­ше­ния кон­цен­тра­ции или пар­ци­аль­но­го дав­ле­ния дан­но­го ком­по­нен­та). В М. уча­ст­ву­ют, как пра­ви­ло, три ве­ще­ст­ва. Два из них (рас­пре­де­ляю­щие ве­ще­ст­ва или фа­зы) об­ме­ни­ва­ют ме­ж­ду со­бой со­дер­жа­щее­ся в них третье (рас­пре­де­ляе­мое) ве­ще­ст­во и яв­ля­ют­ся по от­но­ше­нию к не­му инерт­ны­ми. Ино­гда в М. мо­гут уча­ст­во­вать две фа­зы, со­стоя­щие из рас­пре­де­ляе­мых ком­по­нен­тов, ко­то­ры­ми они об­ме­ни­ва­ют­ся. При М. из од­ной фа­зы в дру­гую раз­ли­ча­ют пе­ре­нос рас­пре­де­ляе­мо­го ве­ще­ст­ва (мас­сы) ме­ж­ду га­зо­вой фа­зой и жид­кой или твёр­дой, ме­ж­ду жид­кой фа­зой и твёр­дой или дру­гой жид­кой. В по­коя­щих­ся сре­дах М. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в ре­зуль­та­те мо­ле­ку­ляр­ной диф­фу­зии, в те­ку­щих сре­дах к это­му ме­ха­низ­му пе­ре­но­са до­бав­ля­ют­ся др. диф­фу­зи­он­ные про­цес­сы – кон­век­тив­ный пе­ре­нос, тур­бу­лент­ный пе­ре­нос. Ско­рость М. свя­за­на с ме­ха­низ­мом пе­ре­но­са рас­пре­де­ляе­мо­го ве­ще­ст­ва в фа­зах.

Мо­ле­ку­ляр­ная диф­фу­зия в не­под­виж­ной сре­де или в ла­ми­нар­ном слое жид­ко­сти (га­за) осу­ще­ст­в­ля­ет­ся по­сред­ст­вом дви­же­ния мо­ле­кул, ато­мов и ио­нов, не свя­зан­но­го с дви­же­ни­ем по­то­ков жид­ко­сти, и опи­сы­ва­ет­ся за­ко­на­ми Фи­ка. Со­глас­но пер­во­му за­ко­ну Фи­ка, ко­ли­че­ст­во ве­ще­ст­ва, пе­ре­не­сён­ное за счёт мо­ле­ку­ляр­ной диф­фу­зии, $dM$ вы­ра­жа­ет­ся урав­не­ни­ем: $dM=–D(𝜕c/𝜕n)dFdτ$, где $D$ – ко­эф. мо­ле­ку­ляр­ной диф­фу­зии; $𝜕c/𝜕n$ – гра­ди­ент кон­цен­тра­ции в на­прав­ле­нии диф­фу­зии ($n$ – про­стран­ст­вен­ная ко­орди­на­та); $dF$ – пло­щадь по­верх­но­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной на­прав­ле­нию диф­фу­зи­он­но­го по­то­ка; $dτ$ – вре­мя осу­ще­ст­в­ле­ния про­цес­са; знак «ми­нус» по­ка­зы­ва­ет на­прав­ле­ние по­то­ка ве­ще­ст­ва от бóльших кон­цен­тра­ций к мень­шим. Ве­ли­чи­на коэф. мо­ле­ку­ляр­ной диф­фу­зии за­ви­сит пре­ж­де все­го от аг­ре­гат­но­го со­стоя­ния фа­зы, в ко­то­рой пе­ре­но­сит­ся ве­ще­ст­во; так, для га­зов $D$ при­мер­но на че­ты­ре по­ряд­ка вы­ше, чем для жид­ко­с­тей. Ко­эф. мо­ле­ку­ляр­ной диф­фу­зии уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том темп-ры и умень­ша­ет­ся с по­вы­ше­ни­ем дав­ле­ния.

Кон­век­тив­ная диф­фу­зия (мас­со­от­да­ча) реа­ли­зу­ет­ся в дви­жу­щей­ся сре­де и опи­сы­ва­ет­ся за­ко­ном Щу­ка­ре­ва. Ко­ли­че­ст­во ве­ще­ст­ва, пе­ре­не­сён­ное от по­верх­но­сти раз­де­ла фаз в вос­при­ни­маю­щую фа­зу, вы­ра­жа­ет­ся урав­не­ни­ем кон­век­тив­ной диф­фу­зии: $dM=βΔcdFdτ$, где $β$ – ко­эф. мас­со­от­да­чи; $Δc$ – раз­ность кон­цен­тра­ций пе­ре­но­си­мо­го ком­по­нен­та у по­верх­но­сти раз­де­ла фаз и в яд­ре по­то­ка вос­при­ни­маю­щей фа­зы; $dF$ – пло­щадь по­верх­но­сти фа­зо­во­го кон­так­та. Ко­эф. мас­со­от­да­чи ха­рак­те­ри­зу­ет пе­ре­нос ве­ще­ст­ва диф­фу­зи­он­ным и кон­век­тив­ным по­то­ка­ми од­но­вре­мен­но, по­сколь­ку по­ток мож­но счи­тать со­стоя­щим из двух час­тей: тон­ко­го, прак­ти­че­ски не­под­виж­но­го, по­гра­нич­но­го слоя у по­верх­но­сти раз­де­ла фаз и дви­жу­ще­го­ся по­то­ка. Ве­ли­чи­на ко­эф. мас­со­от­да­чи за­ви­сит в пер­вую оче­редь от гид­ро­ди­на­ми­че­ских ус­ло­вий в сис­те­ме. По­сколь­ку мас­со­от­да­ча осу­ще­ст­в­ля­ет­ся пре­им. дви­жу­щи­ми­ся по­то­ка­ми жид­ко­сти, её ин­тен­сив­ность в урав­не­нии кон­век­тив­ной диф­фу­зии учи­ты­ва­ет­ся ком­по­нен­та­ми ско­ро­сти пе­ре­ме­ще­ния мас­сы $W_x$, $Wy$, $Wz$ ($x$, $y$, $z$ – про­стран­ст­вен­ные ко­ор­ди­на­ты), диф­фу­зи­он­ная со­став­ляю­щая – ко­эф. мо­ле­ку­ляр­ной диф­фу­зии и сум­мой вто­рых про­из­вод­ных кон­цен­т­ра­ций по со­от­вет­ст­вую­щим ко­ор­ди­на­там:

$dc/dτ+W_x(dc/dx)+W_y(dc/dy)+W_z(dc/dz)=D(d2c/dx^2+d2c/dy^2+d2c/dz^2)$.

При М. в не­под­виж­ном слое (мо­ле­ку­ляр­ная диф­фу­зия) $W_x=W_y=W_z=0$, и урав­не­ние пре­об­ра­зу­ет­ся в диф­фе­рен­ци­аль­ное урав­не­ние мо­ле­ку­ляр­ной диф­фу­зии (вто­рой за­кон Фи­ка): $dc/dτ=D∇^2 с$.

Труд­но­сти тео­ре­тич. опи­са­ния и рас­чё­та про­цес­са М. обу­слов­ле­ны слож­но­стью ме­ха­низ­ма пе­ре­но­са ве­ще­ст­ва к гра­ни­це раз­де­ла фаз и от неё, не­дос­та­точ­ной изу­чен­но­стью гид­ро­ди­на­мич. за­ко­но­мер­но­стей тур­бу­лент­ных по­то­ков, осо­бен­но вбли­зи гра­ни­цы раз­де­ла фаз. В свя­зи с этим пред­ло­жен ряд тео­ре­тич. мо­де­лей, в ос­но­ву боль­шин­ст­ва из ко­то­рых по­ло­же­ны сле­дую­щие до­пу­ще­ния: об­щее со­про­тив­ле­ние про­цес­су М. скла­ды­ва­ет­ся из со­про­тив­ле­ния рас­пре­де­ляю­щих фаз, а со­про­тив­ле­ни­ем по­верх­но­сти раз­де­ла фаз мож­но пре­неб­речь; на по­верх­но­сти раз­де­ла кон­цен­тра­ция рас­пре­де­ляе­мо­го ве­ще­ст­ва в фа­зах на­хо­дит­ся в рав­но­ве­сии.

Бо­лее слож­ный про­цесс пред­став­ля­ет со­бой М. в сис­те­мах с твёр­дой фа­зой – мас­со­про­вод­ность, по­сколь­ку кро­ме мас­со­от­да­чи от по­верх­но­сти раз­де­ла фа­зы в по­ток жид­ко­сти (га­за, па­ра) про­ис­хо­дит пе­ре­ме­ще­ние ве­ще­ст­ва в твёр­дой фа­зе. Про­цесс мас­со­про­вод­но­сти – от­вод ве­ще­ст­ва от гра­ни­цы раз­де­ла фаз и пе­ре­ме­ще­ние ве­ще­ст­ва внут­ри твёр­дой фа­зы – мо­жет быть опи­сан за­ко­на­ми, ана­ло­гич­ны­ми за­ко­нам Фи­ка: $dM=–K(dc/dn)dFdτ$ и $dc/dτ=K∇^2с$, где $K$ – ко­эф. мас­со­про­вод­но­сти. Ко­эф. мас­со­про­вод­но­сти за­ви­сит: от при­ро­ды про­цес­са; от струк­ту­ры твёр­до­го по­рис­то­го те­ла, в ко­то­ром про­ис­хо­дит пе­ре­ме­ще­ние ве­ще­ст­ва; от ря­да фак­то­ров, оп­ре­де­ляю­щих зна­че­ние ко­эф. мо­ле­ку­ляр­ной диф­фу­зии. Пе­ре­нос ве­ще­ст­ва в не­под­виж­ном слое твёр­до­го ма­те­риа­ла пред­став­ля­ет со­бой не­ста­цио­нар­ный про­цесс, что обу­слов­ли­ва­ет спе­ци­фич. ха­рак­тер про­цес­сов М. с уча­сти­ем твёр­дой фа­зы по срав­не­нию с про­цес­са­ми в сис­те­мах газ (пар) – жид­кость и жид­кость – жид­кость, ко­то­рые ча­ще все­го но­сят ста­цио­нар­ный ха­рак­тер.

М. ле­жит в ос­но­ве мно­гих тех­но­ло­гич. про­цес­сов, ис­поль­зую­щих­ся для раз­де­ле­ния ве­ществ и для очи­ст­ки их от при­ме­сей. К мас­со­об­мен­ным про­цес­сам от­но­сят­ся: аб­сорб­ция, ад­сорб­ция, жид­ко­ст­ная экс­трак­ция, ио­но­об­мен­ные про­цес­сы, кри­стал­ли­за­ция, мем­бран­ные про­цес­сы раз­де­ле­ния, рас­тво­ре­ние, рек­ти­фи­ка­ция, суш­ка, экс­т­ра­ги­ро­ва­ние и др. Для про­ве­де­ния та­ких про­цес­сов ис­поль­зу­ют мас­со­об­мен­ные ап­па­ра­ты.