Stoffübertragungsraten

Stoffübertragungsraten beschreiben die Geschwindigkeit, mit der ein Stoff von einer Phase in eine andere oder innerhalb eines Mediums transportiert wird. Sie sind in der Chemischen Technik, Umwelttechnik und Biologie von zentraler Bedeutung, wenn Diffusion, Konvektion und Grenzflächenprozesse eine Rolle spielen. Üblicherweise werden sie als Massen- oder Molfluss pro Fläche angegeben, zum Beispiel in mol/(m² s) oder kg/(m² s).

Auf mikroskopischer Ebene folgt der Stofftransport dem Fick’schen Gesetz. Der lokale molare Flux J_i wird durch J_i = -D_i ∇c_i beschrieben, wobei D_i der effektive Diffusionskoeffizient und c_i die Konzentration von Stoff i ist. In mehrphasigen Systemen kommt zusätzlich Konvektion hinzu. In der Praxis wird der Gesamttransport oft durch einen eindimensionalen Grenzflächenmodellieransatz beschrieben, bei dem N_i = k_L a (C_i^* − C_i) gilt. Dabei stehen k_L für den Flüssigkeits-Wärme übergesetzte Massentransferkoeffizienten, a für die Grenzflächenfläche pro Volumen, und C_i^* bzw. C_i für die Gleichgewichtskonzentration bzw. die tatsächliche Konzentration an der Grenzfläche bzw. im bulk.

Der Antrieb des Transports wird durch Konzentrations- oder Partialdruckunterschiede bestimmt. In Gas-Liquid-Systemen verknüpft Henry’s Gesetz die Gasphase mit der gelösten Phase, und der treibende Unterschied kann als C_i^* − C_i oder p_i^* − p_i formuliert werden. Allgemein hängen Stoffübertragungsraten von Temperatur, Viskosität, Diffusionskohlenstoff und der Geometrie der Phasen ab.

Anwendungen umfassen Absorption, Desorption, Verdunstung, Trocknung, Destillation und Reaktorprozesse. Die Bestimmung oder Vorhersage von k_L, a und relevanten dimensionless Größen wie dem Sherwood-Zahl (Sh) erfolgt häufig über empirische Korrelationen, Strömungsparameter oder detaillierte Transportmodelle.