Kütle aktarımı

Kütle aktarımı, genellikle buhar, faz, fraksiyon ya da bir bileşen olarak tanımlanan kütlenin bir yerden başka bir yere net hareketidir. Kütle aktarımı absorpsiyon, buharlaşma, kurutma, çökeltme, membran filtrasyonu ve damıtma gibi birçok işlemde gerçekleşmektedir. Kütle aktarımı farklı bilim dalları tarafından farklı işlem ve mekanizmalar için kullanılmaktadır. Kütle aktarımı ifadesi mühendislikte genellikle kimyasal türlerin fiziksel sistemler içinde difüz ve konvektif taşınımını kapsayan fiziksel işlemler için kullanılır.
Suyun bir havuzdan atmosfere buharlaştırılması, böbreklerde ve karaciğerde kanın arıtılması ve alkolün damıtılması genel kütle aktarımı işlemlerinden bazılarıdır. Endüstriyel işlemlerde kütle aktarımı işlemleri, kimyasal bileşenlerin distilasyon kolonlarında ayrılması, yıkama kuleleri ve sıyırıcılar gibi absorplayıcılar, aktif karbon yatakları ve sıvı-sıvı ekstraksiyonu gibi adsorplayıcılar endüstriyel işlemlerde kullanılan kütle aktarımı operasyonlarından bazılarıdır. Endüstriyel soğutma kulelerinde olduğu gibi, kütle aktarımı sıklıkla bir ek taşınım prosesi ile birleştirilir. Bu kulelerde sıcak suyun havayla temas halinde akışı sağlanır ve bu sayede ısı aktarımı ile kütle aktarımı beraber kullanılmış olur. Sıcak suyun bir kısmı su buharı şeklinde dışarı çıkartılarak soğutulur.
Astrofizik
Astrofizikte kütle aktarımı, yerçekimsel olarak bir cisme (genellikle bir yıldız) bağlanmış bir maddenin Roche lobunu doldurması ile genellikle yoğun ikinci bir cisme (beyaz cüce, nötron yıldızı veya kara delik) bağlanıp üstüne birikmesi sürecidir. Çift sistemlerde bu yaygın görülen bir olaydır ve çeşitli süpernova ile pulsarlarda önemli bir rol oynayabilir.
Kimya mühendisliği
Kimya mühendisliği problemlerinde kütle aktarımının geniş uygulama alanı vardır. Reaksiyon mühendisliğinde, ayırma mühendisliğinde, ısı aktarımı mühendisliğinde ve elektrokimya mühendisliği gibi kimya mühendisliğinin diğer birçok alt disiplininde kullanılmaktadır.
Kütle aktarımı için itici güç genellikle kimyasal potansiyelde gerçekleşen farktır, ancak diğer bazı termodinamik değişimler de kütle akışına eşlik edebilir ve akışı sürdürebilir. Bir kimyasal tür, yüksek kimyasal potansiyeli olan alandan, düşük kimyasal potansiyeli olan alana doğru hareket eder. Böylece belirli bir kütle aktarımı işleminin maksimum teorik kapsamı, kimyasal potansiyelin tek biçimli olduğu nokta ile belirlenir. Tek fazlı sistemler için bu genel olarak faz boyunca düzgün bir konsantrasyon anlamına gelirken, çok fazlı sistemlerde ise sıvı-sıvı ekstraksiyonunda olduğu gibi, kimyasal türler genellikle diğer fazlar yerine tek bir faz seçer ve yalnızca kimyasal türlerin çoğu tercih edilen faza emildiğinde düzgün bir kimyasal potansiyele ulaşır.
Termodinamik denge, belirli bir kütle aktarımı işleminin teorik kapsamını belirlerken, gerçek kütle aktarım hızı sistem içindeki akış profilleri ve her bir fazdaki kimyasal türlerin yayılma güçleri gibi ek unsurlara bağlıdır. Bu oran, bir prosesin tamamı için kütle aktarımı katsayılarının hesaplanması ve uygulanmasıyla belirlenebilir. Kütle aktarımı katsayıları Péclet sayısı, Reynolds sayısı, Sherwood sayısı ve Schmidt sayısı gibi boyutsuz sayılardır.
Isı, kütle ve momentum aktarımları arasındaki benzerlikler
Momentum, ısı ve kütle aktarımı için yaygın olarak kullanılan yaklaşık diferansiyel denklemlerde kayda değer benzerlikler vardır. Söz konusu aktarımlar korunumlu büyüklüklerin bir akış alanı içinde taşınımına lineer yaklaşımlar sunmaktadır. Bu sebepten ötürü akışkan akışında düşük Reynolds sayılarında (Stokes akışı) Newton kanunu, Fourier'in ısı kanunu ve Fick'in difüzyon kanunu birbirlerine oldukça benzerdir.
Navier-Stokes denkleminin doğrusal olmaması nedeniyle (ya da esasen genel momentum korunumu denklemi) yüksek Reynolds değerlerinde kütle, ısı ve momentum aktarımı arasındaki benzerliğin kullanışlılığının azalmasına karşın, ısı ve kütle aktarımı arasındaki benzerlik kullanışlılığını sürdürür. Bu üç aktarım süreci arasında benzerlikler geliştirerek, ilgili aktarımlardan herhangi bir tanesinden bir diğerinin tahminini mümkün kılmak için önemli derecede çaba harcanmıştır.
Kütle aktarım süreçleri ve ilkeleri
Kütle aktarımı gerek endüstriyel gerek deneysel pek çok uygulamada gerçekleşen bir olaydır. Damıtma, absorpsiyon (soğurma), adsorpsiyon, kurutma, iyon değişimi, kristallendirme, membran prosesleri ve sıvı-sıvı ekstraksiyon gibi pek çok süreçte kütle aktarımı mekanizmaları gözlenebilir. Söz konusu kütlenin katı, sıvı veya gaz halde olmasından bağımsız olarak, gerçekleşen mekanizma esasen aynıdır.
Fick kanunu
Momentum, ısı ve kütle aktarımı süreçlerinin hepsi temelde aynı olan bir eşitlik ile ifade edilmektedir:
Aktarım hızı = İtici güç/direnç
Bu genel formül tüm aktarım süreçlerinde tekrarlanan bir modeldir. Momentum ve ısı aktarım eşitliklerinde bu benzerlik görülebilir. Aynı benzerlik kütle aktarımı için de geçerlidir. Fick kanunu bir kütlenin bir başka yere moleküler taşınımını ifade eden bir denklemdir:
JAx: Moleküler difüzyondan kaynaklı A maddesinin x yönündeki akısı (kg mol A/s. m2)
DAB: Difüzyon katsayısı veya diğer bir deyişle A'nın B içine yayılma gücü (m2/s)
Ca: A maddesinin derişimi (kg mol/m3)
x: Difüzyon mesafesi (m)