انتقال جرم چیست؟ (هر آنچه لازم است بدانید)

به زبان ساده، پدیده انتقال جرم فرایندی است که طی آن، حرکت خالص جرم از یک مکان به مکان دیگر، صورت می‌گیرد که یکی از سه پدیده انتقال بوده و از مهمترین مباحث در مهندسی شیمی است.

انتقال جرم چیست؟

به زبان ساده، پدیده انتقال جرم ، فرایندی است که طی آن، حرکت جرم خالص از یک مکان به مکان دیگر، صورت می‌گیرد. بسیاری از پدیده‌ها، مانند تصفیه خون به وسیله کلیه‌ها، تبخیر آب و انتقال آن از منبع به جو، انحلال پذیری قند درآب، عصاره‌گیری با استفاده از حلال و میعان الکل با کمک این نوع انتقال انجام می‌شوند.

مبحث انتقال جرم یکی از مهمترین مباحث مورد مطالعه در مهندسی شیمی و یکی از سه پدیده انتقال است. این سه پدیده، شامل انتقال جـرم، انتقال حرارت و انتقال تکانه (اندازه حرکت) هستند. از این مبحث، استفاده گسترده‌ای در مسائل مهندسی شیمی می‌شود. از جمله زیرشاخه‌های مرتبط با این مبحث، مهندسی جداسازی، مهندسی واکنش، مهندسی الکتروشیمی، مهندسی انتقال حرارت و بسیاری دیگر از رشته‌های تحصیلی ذیربط می‌باشد.

عموما نیروی محرکه فرایند انتقال جرم، اختلاف پتانسیل شیمیایی است. در این فرایند، ماده شیمیایی، از مناطقی با پتانسیل شیمیایی بالا به مناطقی که دارای پتانسیل شیمیایی پایین‌تری هستند، هدایت می‌شود.

اندازه‌گیری انتقال جـرم

به طور میانگین، حداکثر وسعت قابل اندازه‌گیری انتقال جرم، در نقطه ای که پتانسیل شیمیایی یکنواخت می‌باشد، مشخص می شود. برای این منظور، در یک سامانه تک فاز، غلظت یکنواخت در کل فاز در نظر گرفته می‌شود. این در حالی است که در یک سامانه چندفازی، ابتدا یک فاز  بر فازهای دیگر ارجحیت یافته و برای رسیدن به پتانسیل شیمیایی یکنواخت باید اغلب مواد شیمیایی، در فاز انتخابی، جذب شده باشند. استخراج مایع از مایع، یک نمونه بارز از این‌گونه فرایندها در سامانه‌ها است.

به طور کلی، برای تعیین وسعت نظری در یک سیستم، تعادل ترمودینامیکی، نرخ انتقال جرم، انتشار مواد در هر فاز و الگوهای جریان در نظر گرفته می‌شود. نرخ انتقال مذکور، به کمک عملیات محاسباتی و با اعمال ضرایب انتقال  برای یک فرآیند محاسبه می‌گردد. ضرایب اندازه‌گیری شده، شامل اعداد بدون بعد زیر خواهند بود:

• عدد رینولدز
• عدد پکلت
• اشمیت
• عدد شروود

انواع مختلف انتقال جرم

هر فرایند انتقال جرم با توجه به نحوه تماس و ترکیب‌پذیری دوفاز را می‌توان به انواع زیر تقسیم نمود:

• تماس مستقیم بین دو فاز قابل ترکیب
• تماس مستقیم بین دو فاز غیرقابل ترکیب
• تماس غیرمستقیم دو فاز که به واسطه غشاء از یکدیگر جدا شده‌اند.

مقایسه انتقال جرم با مفهوم انتقال حرارت

به طورکلی، می‌توان گفت فرایندهای انتقال جرم و انتقال حرارت بسیار به یکدیگر شبیه بوده و از جهاتی مرتبط می‌باشند. از این رو، مهندسین شیمی و محققان، برای درک بهتر مباحث این انتقال، از قوانین و قرائن موجود در انتقال حرارت بهره می‌برند. دلیل این امر، آن است که ماهیت جرم همان انرژی می‌باشد و به کمک رابطه معروف اینشتین، یعنی E=mc^2 به راحتی یکدیگر تبدیل می‌شوند. این رابطه به خوبی نشان می‌دهد که، جرم و حرارت هر دو اشکال مختلفی از انرژی هستند.

قوانین مربوط به هر سه فرایند انتقال، بسیار به یکدیگر نزدیک و مشابه هستند. در این خصوص، می‌توان به شباهت قانون فیک در انتقال جرم، قانون فوریه در انتقال حرارت و معادلات انتقال مولکولی قانون نیوتن در تکانه اشاره کرد. معیارهای زیادی برای مقایسه روابط مربوط به این سه پدیده انتقال وجود دارد که به راحتی امکان پیش‌بینی هر کدام از پدیده‌های دیگر را فراهم می‌کند.

لازم به ذکر است، انتقال جرم تنها از طریق جابجایی و رسانش یا همان نفوذ امکان پذیر است. این در حالی است که انتقال حرارت از سه طریق تشعشع، جابجایی و رسانش امکان پذیر می‌باشد.

مقایسه نقش دما در انتقال جرم و انتقال حرارت

در خصوص نقش دما در دو فرایند انتقال جرم و انتقال حرارت، میتوان گفت، نیرو محرکه اصلی برای هر دوی آنها، اختلاف دما می‌باشد. می‌دانیم لازمه اصلی جابجایی و انتقال حرارت از نقطه‌ای به نقطه دیگر، اختلاف دما بین آن دو نقطه است. از طرفی لازمه اصلی انتقال جـرم نیز، اختلاف غلظت می‌باشد. دما نیز، معیاری برای ایجاد اختلاف غلظت در نظر گرفته می‌شود. به بیان دیگر، همان‌طور که، در صورت عدم وجود اختلاف دما، انتقال حرارت صورت نمی‌گیرد، در صورت عدم وجود اختلاف غلظت نیز، انتقال جرمی رخ نمی‌دهد.

قانون نفوذ فیک (Fick)

در خصوص قانون مربوط به انتقال جرم، باید دانست، سرعت نفوذ جرمی یک ماده شیمیایی در جریانی ثابت و در یک جهت معین، با گرادیان غلظت ماده در همان جهت متناسب می‌باشد. این رابطه، به قانون فیک معروف است. این رابطه خطی میان گرادیان غلظت و سرعت نفوذ، نخستین بار در سال ۱۸۵۵ و توسط محققی به نام فیک، مطرح شد و می‌توان به صورت زیر نشان داد:

شار جرمی = ثابت تناسب * گرادیان غلظت

کاربرد مفهوم انتقال جرم

همان‌گونه که در ابتدای مقاله به آن اشاره شد، بخش اعظمی از پروژه‌های مرتبط با مهندسی شیمی، مستلزم درک فرایند انتقال جرم می‌باشد. امروزه، مفهوم این انتقال، کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف شیمیایی و زیست‏‌محیطی دارد. بهینه سازی فرآیندهای شیمیایی، تولید فرآیندهای نوین و کمک به حل مشکلاتی از قبیل آلودگی‌های زیست‌محیطی از جمله مزایای آگاهی از قوانین مربوط به این انتقال است.

در بسیاری از تحقیقات و مطالعات مرتبط با مهندسی شیمی، هدف نهایی، جداسازی اجزای یک محلول و یا مخلوط از یکدیگر و یا به دست آوردن یک ماده شیمیایی به صورت خالص از ترکیب می‌باشد. تنها آگاهی از فرایند انتقال جرم و استفاده از قوانین آن راه دستیابی به این مهم می‌باشد. در بسیاری دیگر از فرآیندهای صنعتی نیز، هدف مهندسان، تغییر دادن غلظت مواد شیمیایی در طی واکنش و به دست آوردن فرآورده ا‌ی خاص می‌باشد. در بیشتر موارد، تغییرات صرفا فیزیکی بوده و تغییر شیمیایی رخ نمی‌دهد و در حقیقت ماهیت ماده مورد نظر، دستخوش تغییر نمی‌گردد.

دانستیم  بخش اعظمی از  فرایند انتقال جرم در عملیات‌های جداسازی محلول‌ها، بدون تغییر شیمیایی می‌باشد. این عملیات جداسازی نقش ویژه‌ای در صنعت داشته و از مهمترین آنها می‌توان به فرایندهای تبلور، تقطیر، جذب، و… اشاره کرد. در این عملیات‌ها، می‌توان از روش‌های مکانیکی مانند غربالگری، فیلتراسیون و … استفاده کرد. روش تقطیر نیز، در بسیاری از عملیات جداسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.بخش دیگری از عملیات نیز، به همراه واکنش‌های شیمیایی انجام می‌شود. این عملیات به منظور جداسازی اجزا از محلول‌های مختلف انجام می‌گیرد.

با پرداختن به موضوعات ذکر شده ، به اهمیت درک و استفاده از مفهوم انتقال جرم و قوانین مربوط به آن در صنعت، پی خواهیم برد.

ادامه مطلب