Для математического описания того или иного массообменного процесса предложены несколько теоретических моделей. Общепринятыми считаются две теории: 1. Двухпленочная модель Льюиса и Уитмена;
2. Теория граничного диффузионного слоя Ландау и Девиса. Эти теории имеют много общего. В соответствии с ними процесс переноса вещества из одной фазы в другую можно представить происходящим в три последовательные стадии.
Пусть вещество переходит из фазы Фу в фазу Фх (например, аммиак из воздуха в воду) (рис.1.). Движение фаз турбулентное. Между фазами существует поверхность раздела фаз (ПРФ), которая обусловлена тормозящим действием сил трения, возникающих при движении фаз относительно друг друга и действием сил поверхностного натяжения, имеющих место на поверхности жидкой фазы.
Турбулентный поток каждой фазы имеет следующую структуру: ядро потока (основная масса фазы) и пограничный диффузионный слой у границы фазы (пограничная пленка). В ядре потока вследствие интенсивного перемешивания концентрация вещества постоянная. Здесь преобладает конвективная (турбулентная) диффузия. В пограничном слое движение потока замедляется, так как турбулентный поток заменяется ламинарным. Конвективная диффузия уступает место молекулярной диффузии. Вследствие этого в пограничном слое происходит резкое изменение концентрации от С0у до Су* и от Сх* до С0х. Перенос вещества замедляется. Вот почему у границы раздела наблюдается почти линейное изменение концентрации вещества.
Согласно названных выше моделей процесс массопередачи представляет сумму процессов массоотдачи из основной массы фазы Фу к поверхности раздела фаз и процесса массоотдачи от поверхности раздела к основной массе фазы Фх.
В итоге в основе пленочной и других теорий массообмена предложены следующие допущения:
- Общее диффузионное сопротивление переносу из фазы в фазу складывается из диффузионного сопротивления двух фаз и сопротивления поверхности раздела фаз. Причем сопротивление на поверхности раздела фаз принимается равным нулю. Таким образом, общее сопротивление переносу массы можно рассматривать как сумму фазовых сопротивлений.
- На поверхности раздела фазы находятся в равновесии.
Предложены и другие модели механизма массопереноса. Но вследствие большой сложности турбулентных двухфазных потоков практически невозможно определение с концентраций (угр, хгр, у*, x*) в фазах, поверхности контакта и т.д.
Скорость каждой из названных выше стадий массообмена описывается соответствующими математическими зависимостями, которые используются при конструировании аппаратуры: таковы законы молекулярной диффузии Фика, уравнение массопередачи и другие, хорошо согласующиеся с основными положениями предложенного механизма массообменных процессов.
Молекулярная диффузия обусловлена беспорядочным перемещением молекул вещества в неподвижной среде.
Конвективная диффузия имеет место в движущейся среде и осуществляется движущимися частицами носителя или распределяемого вещества.
При турбулентном движении перенос происходит главным образом путем турбулентной диффузии, а роль молекулярной диффузии незначительна, за исключением области вблизи поверхности раздела фаз.