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传递过程

传递过程,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动量传递热量传递和质量传递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,是单元操作化学反应工程研究的基础。所以,传递过程是化学工程的一个分支。

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(见粘性流体流动),傅里叶定律(见热传导)和斐克定律(见分子扩散)。与分子运动有关的物质的宏观传递特性表示为粘度热导率分子扩散系数等。

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连续性方程运动方程能量方程对流扩散方程。当流体作湍流运动时,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(如搅拌过程中,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传热分系数传质分系数,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。

化工中属于流体动力过程的各种单元操作,如流体输送过滤沉降等,都以动量传递为基础;属于传热过程的,如换热蒸发等,都以热量传递为基础;属于传质分离过程的,如吸收蒸馏萃取等,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,就能为换热器的强化找到途径。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。

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Β.Γ.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,构成三传类比,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。随着高分子化工生物化学工程的发展,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两相流中的传递,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。

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