физико-химическая гидродинамика
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ГИДРОДИНАМИКА
изучает механизм и количеств. закономерности процессов переноса вещества, энергии и импульса через межфазную границу в гетерогенных системах, а также при хим. и фазовых превращениях на границе раздела фаз. Основными объектами исследования являются подвижные среды — жидкие, газообразные, псевдо-ожиженные — и их физико-хим. взаимодействия с ограничивающими твердыми стенками. Процессы переноса, изучаемые Ф.-х. г., протекают в газо-жидкостных хим. реакторах, ректификационных колоннах, абсорберах, скрубберах, отстойниках, кристаллизаторах, электролизерах и др., при сжигании топлива и теплообмене в энергетич. установках, при добыче и обогащении полезных ископаемых на предприятиях нефтяной, газовой и горноперерабатывающей промышленности.
Первоначально Ф.-х. г. изучала тепло- и массоперенос при конвективном движении среды, сопровождающий прохождение электрич. тока в растворах электролитов, абсорбцию и экстракцию при движении капель, пузырьков газа, твердых частиц и тонких жидких пленок; исследовалось также влияние ПАВ на волновое движение и массоперенос на поверхности жидкости и т. п. В подобных системах вблизи межфазной границы образуется гидродинамич. пограничный слой
Ф.-х. г. заменила феноменологич. теории, использовавшиеся для описания конвективной диффузии и теплопереноса в физ.-хим. системах, из которых была наиб. распространена "пленочная" теория (модель Нернста), принимавшая существование вблизи твердой стенки слоя
Систему уравнений Ф.-х. г. составляют уравнения переноса вещества, количества движения и энергии, получаемые на основе баланса перечисленных величин внутри произвольно выбранного элементарного объема среды (см. также массообмен, переноса процессы, теплообмен).
Задачи, решаемые Ф.-х. г., условно делят на внешние, внутренние и смешанные в зависимости от протяженности фазы, определяющей скорость процесса переноса, и толщины пограничного слоя вблизи межфазной границы, где происходит осн. изменение концентрации, температуры или скорости движения среды. Например, расчет массопереноса компонента А к одиночной капле, движущейся в потоке др. жидкости (экстракция), сводится к разл. задачам: если лимитирующей стадией является перенос компонента А в окружающем каплю потоке, говорят о внешней задаче. Напротив, если лимитирующей является конвективная диффузия внутри капли, а толщина слоя
Для решения уравнений конвективного переноса применяют стандартные методы мат. физики, спец. интегральные методы, методы теории размерностей и подобия. Последние особенно полезны для получения качеств. зависимостей, при масштабном переходе, разработаны численные методы (конечных разностей, граничных элементов и др.) и компьютерное моделирование.
Для получения количеств. соотношений, описывающих скорость процессов переноса вблизи межфазной границы, в Ф.-х. г. используют два подхода: 1) изучают т. наз. элементарный акт процесса, а затем проводят статистич. описание множества одновременно протекающих "элементарных актов" в макроскопич. системе; 2) вводят эффективные значения физико-хим. параметров системы, усредненных по всей макросистеме или по ее части, и решают уравнения переноса для указанных эффективных параметров. При таком подходе оказывается необходимым ввести эффективные значения транспортных свойств среды (вязкости, коэф. диффузии и трения и др.). Выяснение связи эффективных значений с характеристиками и структурой среды составляет самостоят. задачу. Например, при разработке аппаратуры для хим. реакторов и технол. процессов разделения (абсорбции, экстракции, ректификации и др.) широко используют результаты исследования переноса импульса и вещества между потоком жидкости или газа и одиночными дисперсными включениями (твердыми, жидкими или газообразными). Напротив, при описании фильтрования, хим. превращений в насадочных и псевдоожиженных слоях, токообразования в пористых электродах и т. п. удобно применять эффективные значения скорости потока, гидравлич. сопротивления, вязкости, концентрации, электрич. потенциала и др. параметров.
Полученные в результате расчетов значения скорости мас-со(тепло)переноса, т. е. локальное
Ф.-х. г. изучает также нарушения устойчивости конвективного потока под влиянием тепло- и массопереноса, ускорение процессов обмена под влиянием вторичных- потоков, интенсивный тепло- и массообмен на межфазной границе, процессы переноса в системах, где происходит контакт трех фаз (напр., в газовых диффузионных электродах).
Лит.: Левич В. Г., Физико-химическая гидродинамика, 2 изд., М., 1959; Кафаров В.В., Основы массопередачи, 2 изд., М., 1972; Берд Р., Стью-арт В., Лайтфут E., Явления переноса, пер. с англ., М., 1974; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 3 изд., М., 1987.
В. Ю. Филиновский
Химическая энциклопедия