Физико-химическая гидродинамика

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ГИДРОДИНАМИКА, изучает механизм и количеств. закономерности процессов переноса в-ва, 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 физико-химической гидродинамикой, 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 пром-сти.

Первоначально физико-химическая гидродинамика изучала тепло- и массоперенос при конвективном движении среды, сопровождающий прохождение электрич. тока в р-рах 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 пов-сти жидкости и т. п. В подобных системах вблизи межфазной границы образуется гидродинамич. пограничный слой скорость течения внутри к-рого постепенно меняется от скорости движения одной фазы (u₁) до скорости движения др. фазы (u₂). Толщина слоя и картина течения внутри него помимо скоростей u₁ и u₂ зависят от вязкости и плотности движущихся фаз, типа течения и др. характеристик контактирующих сред. Напр., вблизи неподвижной твердой стенки, обтекаемой потоком жидкости, внутри пограничного слоя скорость жидкости постепенно нарастает от нуля у твердой стенки до скорости потока и. Если в жидкости содержится к.-л. активный компонент А, участвующий в гетерогенных превращениях или адсорбирующийся на твердой стенке, концентрация этого компонента меняется от значения C^s_A на стенке до C^*_A в потоке, что создает внутри жидкости диффузионный пограничный слой (толщина). Перенос компонента А в диффузионном слое вблизи межфазной границы осуществляется путем конвективной диффузии в поле постепенно ускоряющейся жидкости. Расчет скорости массообмена в описанных условиях составляет одну из типичных задач физико-химической гидродинамики.

Физико-химическая гидродинамика заменила феноменологич. теории, использовавшиеся для описания конвективной диффузии и теплопереноса в физ.-хим. системах, из к-рых была наиб. распространена "пленочная" теория (модель Нернста), принимавшая существование вблизи твердой стенки слоя неподвижной жидкости. Успехи физико-химической гидродинамики связаны в первую очередь с последоват. применением представлений и расчетного аппарата гидродинамики, а также методов теоретич. физики к случаям конвек-тивного тепло- и массопереноса.

Систему ур-ний физико-химической гидродинамики составляют ур-ния переноса в-ва, кол-ва движения и энергии, получаемые на основе баланса перечисленных величин внутри произвольно выбранного элементарного объема среды (см. также Массообмен, Переноса процессы, Теплообмен).

Задачи, решаемые физико-химической гидродинамикой, 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, т-ры или скорости движения среды. Напр., 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 м. б. соизмерима с радиусом капли r₀, задача становится внутренней. Наконец, если скорости переноса А снаружи и внутри капли соизмеримы, расчет массопереноса приводит к смешанной задаче. Внеш. задачи характерны для конвективного тепло- и массопереноса в потоках, обтекающих одиночные твердые тела, капли, пузырьки газа или пара и т. п. Внутр. задачи возникают при расчете гидродинамич. сопротивления, тепло- и массопереноса внутри труб, каналов, пленок и т.д. Смешанные задачи типичны для процессов переноса в насадочных слоях, барбо-терах, фильтрах и пр., где существенно взаимное влияние элементов диспергированной фазы.

Для решения ур-ний 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 физико-химической гидродинамике 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 ур-ния переноса для указанных эффективных параметров. При таком подходе оказывается необходимым ввести эффективные значения транспортных св-в среды (вязкости, коэф. диффузии и трения и др.). Выяснение связи эффективных значений с характеристиками и структурой среды составляет самостоят. задачу. Напр., при разработке аппаратуры для хим. реакторов и технол. процессов разделения (абсорбции, экстракции, ректификации и др.) широко используют результаты исследования переноса импульса и в-ва между потоком жидкости или газа и одиночными дисперсными включениями (твердыми, жидкими или газообразными). Напротив, при описании фильтрования, хим. превращений в насадочных и псевдоожижен-ных 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 или среднее значение коэф. массо(тепло)передачи на межфазной границе, обычно представляют в виде безразмерных величин - локального (Sh_x =_c x/D)или среднего (Sh =l/D) значений числа Шервуда, где c и l соотв. текущее значение координаты на пов-сти и характерный линейный размер рассматриваемой системы, D - коэф. диффузии. В установившемся потоке вязкой жидкости величины Sh_x и Sh связаны с гидродинамич. параметрами потока (числом Рейнольдса Re) и транспортными св-ва-ми среды (числом Шмидта Sc или числом Прандтля Pr) зависимостью степенного вида. Напр., в случае конвективной диффузии к пов-сти вращающегося диска (одной из классич. задач физико-химической гидродинамики) указанная зависимость имеет вид Sh = 0,62Re^0,5Sc^0,33. При турбулентном режиме течения показатели степени меняются. Исследование зависимости Sh от Sc послужило важным методом изучения структуры турбулентного пограничного слоя и использовалось при расчете теплопередачи в жидкометаллич. теплоносителях. Представленная в виде безразмерных критериев скорость переноса удобна для сопоставления данных, полученных в разных условиях эксперимента. Критериальные зависимости используют при конструировании пром. аппаратов, при осуществлении масштабного перехода от лаб. к реальным установкам.

Физико-химическая гидродинамика 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., M., 1959; Кафаров В.В., Основы массопередачи, 2 изд., M., 1972; Берд Р., Стью-арт В., Лайтфут E., Явления переноса, пер. с англ., M., 1974; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 3 изд., M., 1987. В. Ю. Филиновский.