chuandi guocheng
传递过程
transfer process
也称传递现象,指物系内某物理量从高强度区域自动地向低强度区域转移的过程,是自然界和生产中普遍存在的现象。对于物系的每一个具有强度性质的物理量(如速度、温度、浓度)来说,都存在着相对平衡的状态。当物系偏离平衡状态时,就会发生某种物理量的这种转移过程,使物系趋向平衡状态,所传递的物理量可以是质量、能量、动量或电量等。例如物系内温度不均匀,则热量将由高温区向低温区传递。在化工生产中所处理的物料主要是流体,所涉及到的只是动量、热量和质量。因此,在化工中传递过程常用作流体中的、和三种传递过程的总称。在化工设备中,因所发生的过程不同,三种传递过程可能分别单独存在;也可能是其中任意两种或三种过程同时存在。对这三种传递现象的物理化学原理和计算方法的研究,是和研究的基础。所以,传递过程是的一个分支。
研究方法和目的 传递过程的研究通常按三种不同的尺度进行,即分子尺度、微团尺度和设备尺度。
①分子尺度上的研究 考察分子运动引起的动量、热量和质量的传递。以分子运动论的观点,借助统计方法,确立传递规律,如牛顿粘性定律(见),傅里叶定律(见)和斐克定律(见)。与分子运动有关的物质的宏观传递特性表示为、、等。
②微团尺度上的研究 考察流体微团(由众多分子组成,尺寸远小于运动空间,也称流体质点)运动所造成的动量、热量和质量的传递。常忽略流体由分子组成内部存在空隙这一事实,而将流体视为连续介质,从而使用连续函数的数学工具,从守恒原理出发,以微分方程的形式建立描述传递规律的、、和。当流体作运动时,与流体微团运动有关的传递特性表示为涡流粘度、涡流热扩散系数和涡流扩散系数,但这些传递特性与流动状况、设备结构等有关,不是流体的物性。
③设备尺度上的研究 考察流体在设备中的整体运动(如过程中,搅拌桨所造成的大尺度环流)所导致的动量、热量和质量传递,以守恒原理为基础,就一定范围进行总体衡算,建立有关的代数方程。设备尺度上的传递特性表示为和,以及有效(或当量)热导率和有效扩散系数等。这些传递特性与流动条件直接有关,同样也不是物系的物性。
化工中属于的各种单元操作,如、、等,都以动量传递为基础;属于的,如、等,都以热量传递为基础;属于的,如、、等,都以质量传递为基础。化学反应工程要研究传递特性对化学反应的影响,也是以传递过程作为基础的。从传递过程的研究,可以获知化工设备的有关性能,这对于化工设备的设计、放大及其结构的改进和性能的优化等提供一定的理论依据。例如掌握热量传递的规律,就能为的强化找到途径。多年来,化学工程的迅速发展是与传递过程的研究进展分不开的。
发展概况 三种传递过程的研究都已经有较长的发展历史。其中动量传递的理论基础是流体力学,历史至少在300年以上;热量传递的理论基础是传热学,历史有200年左右;质量传递的理论基础是传质学,也有100年以上历史。然而,将三者结合在一起,组成传递过程学科,则是20世纪50年代的事,当时在世界上许多地区几乎同时开始这一学科的研究。美国R.B.博德教授等的《传递现象》一书在1960年问世,对这一学科分支的建立有较大的影响。在此期间,苏联..列维奇著有《物理-化学流体动力学》一书。此书虽未运用传递现象这一名称,但内容亦属于同一领域。他们主张用统一的传递过程理论来研究这三种传递。理由是:①三种传递现象往往同时存在;②三种传递现象有类似的机理和类似的数学表达式,可相互类比,构成,从一种传递的结果预测另一种传递的结果;③三种现象互有差别,予以并列考虑,对比研究,有利于深刻理解。
20多年来,对传递现象的研究深入发展,领域不断扩大。随着和的发展,开展了高粘度、非牛顿型流体中传递过程的研究。从单相中的传递扩大到中的传递,特别是两相界面及其附近区域中的传递。湍流状态下的传递十分复杂,在以前的一段时间内,这一方面的研究曾经进展较慢,随着湍流测试技术的改善,湍流理论取得了重要进展,湍流传递的研究正在深入。但是对于多相湍流和非牛顿型流体湍流下的传递过程,研究工作只能说是处于初始阶段。
参考书目
..列维奇著,戴干策、陈敏恒译:《物理-化学流体动力学》,上海科学技术出版社,上海,1965。(..,- ,.2-,,,1959.)
R.B.Bird et al.,Transport Phenomena,John Wiley & Sons,New York,1960.
林纪方 戴干策
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