Massentransferleistungen

Massentransferleistungen bezeichnet in der Ingenieurwissenschaft den Maßstab und die Geschwindigkeit, mit der Masse zwischen verschiedenen Phasen oder innerhalb einer Phase übertragen wird. Typischer Flussgrößenmaßstab ist der Massenfluss pro Flächeninhalt, N_A, gemessen in mol/(m^2 s) oder kg/(m^2 s). Die Massentransferleistung hängt von Konzentrations- oder Potentialunterschieden, von den Transportmechanismen (Diffusion, Konvektion) sowie von der Geometrie und Temperaturen des Systems ab.

In der Praxis wird der Transfer oft durch Diffusion in Grenzflächenfilmen beschrieben. Das Grundprinzip stützt sich auf das Ficksche Gesetz und die Annahme von Widerständen in Grenzschichten oder Filmen (Filmtheorie). Der Transfer durch zwei oder mehrere Phasen lässt sich durch einen Gesamtmassenübertragungskoeffizienten K_G beschreiben, so dass N_A ≈ K_G a (C_A,Bulk − C_A,Interface) oder analog in gases. Dabei steht a für die spezifische Kontaktfläche pro Volumen. In vielen Systemen bestimmt der äußere oder innere Grenzschichtwiderstand die Rate; K_G ergibt sich aus den Einzelkoeffizienten der beteiligten Phasen.

Zur Charakterisierung werden dimensionale Zahlen verwendet, wie der Sherwood-Zahl Sh = K_G L / D_AB und der Schmidt-Zahl Sc = μ/(ρ D_AB). Relevante Größenordnungen sind zudem der Indikator für die Strömung (Reynoldszahl) und die Diffusionsdifferenz (D_AB).

Anwendungsgebiete reichen von der Gasreinigung und Absorption in der Chemie über die Abwasserbehandlung, Trocknung, Extraktion bis hin zu lebensmittel- und pharmazeutischen Prozessen. Typische Herausforderungen sind Mehrkomponentenmassentransfer, Temperaturabhängigkeiten, thermische Kopplungen und komplexe Oberflächenstrukturen.