Массоперенос в капиллярно-пористых телах

Многие массообменные процессы технологии строительных материалов происходят при взаимодействии среды (жидкости, газа) с капиллярно-пористыми телами. В таких системах массообмен через поверхность раздела фаз взаимосвязан с потоком распределяемого вещества в порах и капиллярах твердой фазы.

Перемещение вещества в объеме твердой фазы называют массопроводностью. Массопроводность не только определяет скорость массообмена капиллярно-пористого тела с омывающей его средой, но и влияет на свойства получаемых материалов.

Перенос вещества в капиллярно-пористом теле происходит в результате одновременного действия различных физических факторов. Ввиду сложности реальной структуры капиллярно-пористого тела при анализе механизмов переноса вещества пользуются модельными представлениями о капилляре, как о прямом цилиндрическом канале постоянного сечения.

Количество диффундирующего вдоль цилиндрической поры вещества при разности концентраций Dc определяют по уравнению:

, (23)

где L –длина капилляра.

При наличии перепада давления на концах капилляра большого диаметра перенос вещества в нем происходит в результате вязкого, обычно ламинарного, течения. Количество перенесенной по капилляру таким способом жидкости определяют по уравнению:

, (24)

где r – радиус капилляра; n - кинематическая вязкость жидкости; DP – перепад давления на концах капилляра.

Если радиус капилляра меньше длины свободного пробега молекул, то вследствие частых соударений молекул переносимого вещества со стенкой капилляра, законы диффузии, справедливые только для сплошной среды, в данном случае не применимы. Перенос вещества таким течением, называемым кнудсеновским или эффузией, определяют для изотермического потока с помощью уравнения:

, (25)

где M – молекулярная масса переносимого вещества.

Ввиду того, что теоретический расчет массопроводности на основе анализа отдельных элементарных процессов невозможен, а также, учитывая их градиентный характер, массопроводность в капиллярно-пористых телах принято оценивать единым эквивалентным диффузионным переносом:

, (26)

где D_э – коэффициент эффективной диффузии, характеризующий суммарный массоперенос в реальном капиллярно-пористом теле.

В отличие от обычного коэффициента диффузии в уравнении Фика коэффициент эффективной диффузии зависит не только от свойств переносимого вещества, температуры и общего давления, но и в значительной степени от вида капиллярно-пористой структуры и размера капилляров. В нестационарном процессе массообмена его величина зависит от интенсивности отдельных элементарных процессов.