Химическая энциклопедия - 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 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 пром-сти.

Первоначально Ф.-х. г. изучала теплои 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 ( Толщина слоя и картина течения внутри него помимо скоростей u1 и 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^sA 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 Ф.-х. г.

Ф.-х. г. 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 Ф.-х. г. связаны в первую очередь с последоват. применением представлений и расчетного аппарата гидродинамики, а также методов теоретич. физики к случаям конвек-тивного теплои массопереноса.

Систему ур-ний Ф.-х. г. 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 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, 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 теплои массопереноса в потоках, обтекающих одиночные твердые тела, капли, пузырьки газа или пара и т. п. Внутр. задачи возникают при расчете гидродинамич. сопротивления, теплои 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.