Костянець Л.О., Мелай О.С.

Національний технічний університет України «КПІ»

ОСОБЛИВОСТІ ПРОЦЕСУ МАСОПЕРЕНОСУ В ГАЗОРІДИННИХ СИСТЕМАХ

Промисловість України в сучасних умовах швидкого розвитку потребує подальшого і більш глибокого вивчення і удосконалення процесів масопереносу для апаратів з перемішуванням, що є актуальним для хімічної, біотехнологічної та інших галузей.

На масоперенос в умовах перемішування кількох речовин діє велика кількість чинників, і не всі вони є добре вивченими у наш час [1]. Робота проводить аналіз ефектів, що виникають в газорідинних системах поблизу поверхні поділу фаз, а також ефектів, обумовлених дією зовнішніх масових сил та їх впливів на процеси масопереносу в газорідинних системах.

До першої групи ефектів відносять такі, як природна та поверхнева конвекція (ефект Марангоні), термодифузія (ефект Савістовського-Сміта) та ін. Крім того, сюди можна включити й додавання поверхнево-активних речовин (ПАР), що також мають істотний вплив на швидкість масопереносу [3].

До другої групи відносять ефекти в газорідинних системах, обумовлені впливом електромагнітного, гравітаційного, акустичного і інших полів.

Розглянемо детальніше ефекти першої групи. При тепло- та масопереносі поблизу поверхні поділу фаз виникає градієнт щільності суцільної фази. Це приводить до появи масових сил, що діють на різні елементи даної фази. В цьому випадку рівнодіюча масових сил буде відмінною від нуля, внаслідок чого виникатиме «природний» рух речовини в деякій області суцільної фази, прилеглої до міжфазної межі газорідинної системи. При цьому додатковий потік речовини, обумовлений природньою конвекцією поблизу поділу фаз може бути значним. У системах газ-рідина існує й можливість виникнення додаткового потоку речовини вздовж міжфазної поверхні, обумовленого локальними змінами поверхневого натягу під час процесу масопереносу (ефект Марангоні). Зазначений ефект оцінює перенос речовини, інтенсифікований градієнтом поверхневого натягу. Характер руху речовини по міжфазній поверхні буде відрізнятись в залежності від того, чи рухаються фази одна відносно іншої. В останньому випадку можуть відбуватися слабкі пульсації коефіцієнта поверхневого натягу. При цьому, якщо рушійна сила масопереносу і градієнт поверхневого натягу малі, а природна конвекція відсутня, то відбувається повільний дрейф елементів рідкої фази з розчиненим в ній цільовим компонентом вздовж межі розділу внаслідок послідовних стиснень і розтягувань поверхні поділу фаз. При цьому спостерігається утворення просторових довгоживучих комірок з різною концентрацією цільового компоненту. Такий вид поверхневої конвекції часто називають комірчастим поверхневим рухом [3].

Якщо фази знаходяться у відносному русі, то характер поверхневої конвекції стає турбулентним. Це виражається в тому, що скорочення і розтягування поверхні розділу фаз відбувається набагато сильніше. Потік речовини, обумовлений такими змінами поверхневого натягу, інтенсифікує перенесення цільового компоненту через міжфазну межу і викликає подальше сильне його перемішування всередині кожної фази. Дане явище було назване поверхневою турбулентністю. Вище описані ефекти можуть використовуватись для інтенсифікації масообмінних процесів в промислових масштабах.

Існують також поверхневі ефекти, що знижують швидкість масопереносу. До них перш за все відноситься поява так званого поверхневого бар'єру, який обумовлений плівкою ПАР на міжфазній межі. Така дія ПАР пов'язана з особливостями структури їх молекул, що складаються з гідрофільної (полярної) і гідрофобної (неполярної) частин. Збільшення опору масопереносу за наявності ПАР може бути наслідком двух причин. По перше, існує можливість зменшення поверхневого натягу в системі. При цьому коефіцієнт поверхневого натягу мало залежить від концентрації цільового компоненту. По друге виникає поверхнева в'язкiсть. Наслідком вказаних причин є зменшення потоку цільового компоненту вздовж поверхні поділу фаз викликаного або вимушеною течією, або ефектом Марангоні. Зниження швидкості масопереносу, обумовлене додаванням ПАР в систему, є наслідком нерівномірністі поверхневого натягу міжфазної межі, появою додаткових сил опору (конкуруючих з тангенціальним напруженням руху), також цей недолік може бути дуже помітним за наявності поверхневої турбулентності [2]. У деяких системах плівка ПАР виявляє безпосередній опір масопереносу.

Відзначимо, що описані вище явища впливають не тільки на швидкість масопереносу, але і на поля швидкості, температури і концентрації цільового компоненту в газорідинних системах.

Поява додаткового потоку цільового компоненту поблизу міжфазної поверхні, обумовленого градієнтом температури, називають ефектом Савістовського-Сміта.

Як вказувалося вище, на інтенсивність процесів перенесення в системах газ-рідина можуть впливати зовнішні силові поля. Обмежимося якісною характеристикою механізму дії електромагнітного поля на процеси тепло- і масопереносу в газорідинних системах. При випаровуванні рідини в постійному і змінному електричних полях шари рідини приходять в хвилеподібний рух, який приводить до турбулізації рідини, внаслідок чого швидкість випаровування збільшується. При цьому коефіцієнти конвективного теплообміну залежно від напруженості поля збільшуються у декілька разів.

Таким чином, знаючи про вплив на масоперенос вищеописаних чинників, можна визначити можливість використання їх задля регулювання руху речовин та інтенсифікації процесу перенесення в дисперсних системах газ-рідина, що є одним з найважливіших питань сьогодення.

Література:

1. Гапанов К. П. Процессы и аппараты.– М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981.– 240с.

2. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование и системный анализ биохимических производств.- М.: Лесн. пром-сть, 1985.– 280с.

3. Протодьяконов И.О., Люблинская И.Е. Гидродинамика и массообмен в системах газ-жидкость.- Л.: Наука, 1990.- 349с.