傳遞過程

傳遞過程,也稱傳遞現象,指物系內某物理量從高強度區域自動地向低強度區域轉移的過程,是自然界和生產中普遍存在的現象。

基本介紹

  • 中文名:傳遞過程
  • 別稱:傳遞現象
  • 存在:自然界和生產過程
簡介,研究方法和目的,發展概況,

簡介

對於物系的每一個具有強度性質的物理量(如速度、溫度、濃度)來說,都存在著相對平衡的狀態。當物系偏離平衡狀態時,就會發生某種物理量的這種轉移過程,使物系趨向平衡狀態,所傳遞的物理量可以是質量、能量、動量或電量等。例如物系內溫度不均勻,則熱量將由高溫區向低溫區傳遞。在化工生產中所處理的物料主要是流體,所涉及到的只是動量、熱量和質量。因此,在化工中傳遞過程常用作流體中的動量傳遞熱量傳遞和質量傳遞三種傳遞過程的總稱。在化工設備中,因所發生的過程不同,三種傳遞過程可能分別單獨存在;也可能是其中任意兩種或三種過程同時存在。對這三種傳遞現象的物理化學原理和計算方法的研究,是單元操作化學反應工程研究的基礎。所以,傳遞過程是化學工程的一個分支。

研究方法和目的

傳遞過程的研究通常按三種不同的尺度進行,即分子尺度、微團尺度和設備尺度。
1,分子尺度上的研究 考察分子運動引起的動量、熱量和質量的傳遞。以分子運動論的觀點,藉助統計方法,確立傳遞規律,如牛頓粘性定律(見粘性流體流動),傅立葉定律(見熱傳導)和斐克定律(見分子擴散)。與分子運動有關的物質的巨觀傳遞特性表示為粘度熱導率分子擴散係數等。
2,微團尺度上的研究 考察流體微團(由眾多分子組成,尺寸遠小於運動空間,也稱流體質點)運動所造成的動量、熱量和質量的傳遞。常忽略流體由分子組成內部存在空隙這一事實,而將流體視為連續介質,從而使用連續函式的數學工具,從守恆原理出發,以微分方程的形式建立描述傳遞規律的連續性方程運動方程能量方程對流擴散方程。當流體作湍流運動時,與流體微團運動有關的傳遞特性表示為渦流粘度、渦流熱擴散係數和渦流擴散係數,但這些傳遞特性與流動狀況、設備結構等有關,不是流體的物性。
3,設備尺度上的研究 考察流體在設備中的整體運動(如攪拌過程中,攪拌槳所造成的大尺度環流)所導致的動量、熱量和質量傳遞,以守恆原理為基礎,就一定範圍進行總體衡算,建立有關的代數方程。設備尺度上的傳遞特性表示為傳熱分係數傳質分係數,以及有效(或當量)熱導率和有效擴散係數等。這些傳遞特性與流動條件直接有關,同樣也不是物系的物性。
化工中屬於流體動力過程的各種單元操作,如流體輸送過濾沉降等,都以動量傳遞為基礎;屬於傳熱過程的,如換熱蒸發等,都以熱量傳遞為基礎;屬於傳質分離過程的,如吸收蒸餾萃取等,都以質量傳遞為基礎。化學反應工程要研究傳遞特性對化學反應的影響,也是以傳遞過程作為基礎的。從傳遞過程的研究,可以獲知化工設備的有關性能,這對於化工設備的設計、放大及其結構的改進和性能的最佳化等提供一定的理論依據。例如掌握熱量傳遞的規律,就能為換熱器的強化找到途徑。多年來,化學工程的迅速發展是與傳遞過程的研究進展分不開的。

發展概況

三種傳遞過程的研究都已經有較長的發展歷史。其中動量傳遞的理論基礎是流體力學,歷史至少在300年以上;熱量傳遞的理論基礎是傳熱學,歷史有200年左右;質量傳遞的理論基礎是傳質學,也有100年以上歷史。然而,將三者結合在一起,組成傳遞過程學科,則是20世紀50年代的事,當時在世界上許多地區幾乎同時開始這一學科的研究。美國R.B.博德教授等的《傳遞現象》一書在1960年問世,對這一學科分支的建立有較大的影響。在此期間,蘇聯Β.Γ.列維奇著有《物理-化學流體動力學》一書。此書雖未運用傳遞現象這一名稱,但內容亦屬於同一領域。他們主張用統一的傳遞過程理論來研究這三種傳遞。理由是:①三種傳遞現象往往同時存在;②三種傳遞現象有類似的機理和類似的數學表達式,可相互類比,構成三傳類比,從一種傳遞的結果預測另一種傳遞的結果;③三種現象互有差別,予以並列考慮,對比研究,有利於深刻理解。
20多年來,對傳遞現象的研究深入發展,領域不斷擴大。隨著高分子化工生物化學工程的發展,開展了高粘度、非牛頓型流體中傳遞過程的研究。從單相中的傳遞擴大到兩相流中的傳遞,特別是兩相界面及其附近區域中的傳遞。湍流狀態下的傳遞十分複雜,在以前的一段時間內,這一方面的研究曾經進展較慢,隨著湍流測試技術的改善,湍流理論取得了重要進展,湍流傳遞的研究正在深入。但是對於多相湍流和非牛頓型流體湍流下的傳遞過程,研究工作只能說是處於初始階段。

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