Fysische transportverschijnselen I125practicum

1
Fysische transport-verschijnselenI125-practicum

• Voorbereiding tot
• Massatransport

Acad. Jaar 2003-2004 Eerste ingenieursjaar
Bio-ingenieur
2
Equilibrium, mass concentration, and kinetics
(Datta chapter 9)

• Concentration
• Mass conservation
• Equilibrium - Liquid and gas - Solid and
  gas - Solid and liquid
• Kinetics

3
Concentration
In a multi-component system, concentration can
be expressed in a number of ways ?A
mass mass of A kg of A
concentration unit volume
m3 cA molar moles of A
moles of A concentration unit
volume m3 cA ?A/M
(Mmolar weight) Concentration similar to
Temperature mass transfer
energy transfer
4
Evenwicht en transport

• Bij evenwicht tussen alle materialen is geen
  transport
• transportvergelijkingen binnen een materiaal in
  dikwijls functie van de ?-gradiënt
• in tegenstelling tot energietransport is er op de
  rand van de materialen geen continuiteit van de
  ?-waarde (geen gelijke ? bij
  temperaturen gelijke T)

5
Mass balance (mass conservation) on a species A
Generation/removal of mass by chemical
(micro-)biological reactions!!
6
Equilibrium between liquid and gas
Energetic molecules come out of liquid and
re-enter, maintaining a dynamic equilibrium
pA Partial pressure of A in gas phase, atm
Gas
xA conc. of A in liquid mole frac. of A
in liq. moles of A /(moles of A
moles of liquid)
Liquid
7
Toepassingen

• Verdampen van H20 uit een water-reservoir
• O2 gehalte in rivieren, vijvers enz.
• NH4 emissie uit drijfmest naar de atmosfeer
• Zware complicaties
• discontinuiteit van evenwichtsconcentraties en
• generatie/verdwijning van massa
• Bvb O2 wordt opgenomen door organismen planten
  generen O2 enz

8
Equilibrium Henrys law
Henrys law

• Increased pressure solubilizes more gas
• Higher the H, more difficult to solubilize
• H increases with temperature-- smaller amount of
  gases can be dissolved in the liquid at higher
  temperature

9
Solubility of Gases in Water - Henrys Law
10
Problem O2 in water voor vissen (9.8.5)
.7 Datta, 2002, pag 193
11
Equilibrium between a solid (with absorbed
liquid) and gas
Energetic molecules come out of solid and
re-enter, maintaining a dynamic equilibrium
12
Toepassingen

• Bodemverdamping
• Drogen van kledij aan de wasdraad
• Drogen van graan
• Conditioneren van hout op juist vochtgehalte

13
Equilibrium Moisture content of Soil and Wood
14
Vochtgehalte van hout (9.8.10)
Wood equilibrium
15
Figure C.9.Datta,2002 page 341
RH 20
16
Equilibrium between Solid and Liquid in
Adsorption

• In the linear region, slope is termed
• Partition Coefficient
• Distribution Coefficient

K
17
Equilibrium

• Belangrijk omdat de evenwichts massa concentratie
  naargelang het materiaal verschillend is
• Bv. Twee lagen van een bodem met verschillende
  textuur hebben een ander vochtgehalte zelfs al
  zijn die in evenwicht!!
• Bij warmte waren de temperaturen in evenwicht
  identiek in alle materialen.

18
Chemical Kinetics- Generation or Depletion of
Mass Species
Mass Species can be generated/destroyed.
? Rates of reaction (generation/dissapearance)
are studied in kinetics (Thermodynamics does
not)
Rate Mass of species produced/consumed
kg (Volume) (Time)
m3s
19
Chemical Kinetics - Zeroth order reactions
co
c
t
Typically not possible, effective sometimes at
very high concentrations.
20
Chemical Kinetics - First order reactions
Afbraak, uitputtingsversloop dikwijls semi-log
van de tijd
Half Life time for concentration to fall to 1/2
its intial value.
21
Chemical Kinetics - Temperature effects
k frequency factor Ea activation energy
(J/mol) R gas constant (J/mol/K)
This is an empircal formula, proven
theoretically only for idealized gaseous
reactions.
22
Afbraak van nitraat in de bodem
189)
23
Belang van chemische reactiesin massatransport

• Dikwijls het equivalent in massatransport van
  warmte-ontwikkeling of afkoeling in een
  materiaal.
• Gelijktijdig veranderen van diverse molecules met
  eigen massa-balans/transport
• verbonden via de chemische reactie
• transportmechanismen kunnen verschillen
• totaal beeld kan zeer complex worden !!!!!

24
Poreuze media en Diffusie (Datta chapter 10)

• Poreuze media bv. massa-transport in bodem,
  aquifers, voedsel, filters, membranen enz.
• Moleculaire diffusie
• gassen
• vloeistoffen
• vaste stoffen
• Dispersie en Convectie (zie later)

25
Darcys Law - Elemental volume in a porous media
v2
v1
v1 ? v2 ? jv
26
Physical Interpretation of Hydraulic Conductivity

• Flow through one pipe (Hagen-Poiseuille)
• Rewriting for the ith pore, with radius ri
• Total Volumetric Flux

Zie stroming vloeistoffen
27
Conductivity
Pore length is longer gt tortuosity ?
Intrinsinc permeability
Pas op tortuositeit (bochtigheid) heeft twee
definities ! White (bodemkunde) versus Datta
(FTV) !!!
28
Berekening van conductiviteit van een zandfilter
29
Modes of Mass Transfer(first type) - Molecular
Diffusion

• Molecular Diffusion -
• Transport of one component from a region of
  higher concentration to a lower concentration.
• It is a natural process (passive)
• It is due to random molecular movement
• Analogous to thermal conduction
• SLOW

30
Molecular (passive) Diffusion -

• Passive diffusion is analogous to conduction
• Equilibrium - same concentration everywhere in
• Same Phase -
• Same Component -

31
Modes of Mass Transfer - Molecular Diffusion

• Ficks Law of Diffusion
• Compare with Fouriers Law of Conduction

32
Diffusivity for gases

• Low density, non-polar, non-reacting
• Increases with temperature
• Decreases with size, MA, MB

33
Diffusivity for liquids

• For non-electrolytes, it depends on the viscous
  drag (mobility)

Increases with Temperature
Decreases with viscosity
Decreases with radius
34
Diffusivity of proteins related to molecular
size -
35
Diffusion in Solids -

• Solids in Solids
• Liquids in Solids
• Gases in Solids

very slow
Liquids (capillary) Gases (Knudsen Diff.)
Porous
Non-Porous (Absorbs and Diffuses) Does not
depend on structure Described by Ficks
Law
36
Problem 10.9.4 (Datta 214)
.6 ( Datta, 2002, pag 221)
37
Problem 10.9.5 ( Datta 214)
.7 Datta, 2002, pag 222