Химическая гидродинамика - наука, которая изучает механизм и качественные закономерности процессов переноса материального вещества, энергии и внутреннего импульса через межфазную среду в гетерогенных системах.
Ключевыми объектами исследования являются только подвижные тела — жидкие, газообразные, и их химическое взаимодействие с ограничивающими твердыми стенками. Процессы переноса, изучаемые данным направлением в гидродинамике, протекают в газожидкостных реакторах, ректификационных колоннах, скрубберах, абсорберах, скрубберах, кристаллизаторах электролизерах при сжигании топлива, а также при добыче и обогащении полезных ископаемых на предприятиях газовой и горно-перерабатывающей промышленности.
Первоначально химическая гидродинамика рассматривала тепло- и массоперенос при конвективном, нестабильном движении пространства, сопровождающий плавное прохождение электрического тока в растворах электролитов и экстракцию при движении пузырьков газа, капель твердых частиц и тонких жидких пленок.
В подобных концепциях вблизи межфазной границы формируется гидродинамический слой, течение внутри которого со временем меняется от скорости начального движения одной фазы до скорости движения другой. Перенос любого компонента возможно осуществить посредством ускоряющейся жидкости. Расчет дальнейшей скорости массообмена в указанных условиях составляет одну из важных задач химической гидродинамики.
Задачи химической гидродинамики
Рисунок 1. Задачи химической гидродинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Основные задачи, решаемые химической гидродинамикой, зависят от протяженности фазы, определяющую скорость процесса переноса и толщину пограничного слоя.
Все гидродинамические задачи условно делят на:
- внешние;
- внутренние;
- смешанные.
Расчет массопереноса определенного элемента в одиночной капле, движущейся в потоке других, сводится в результате к различным задачам: если лимитирующей этап является переносом компонента в окружающем веществе потоке, говорят о внешней задаче.
Напротив, если лимитирующей считается конвективная стабильная диффузия внутри капли, а толщина фазового слоя полностью соизмерима с радиусом исследуемого объекта, задача химической гидродинамики называется внутренней. Наконец, если скорости переноса физического тела снаружи и внутри капли соизмеримы, расчет массопереноса приводит ученых к смешанной задаче.
Внешние задачи характерны для быстрого тепло- и массопереноса в потоках, которые обтекают одиночные твердые тела, пузырьки газа и капли. Внутренние задачи появляются при расчете гидродинамического сопротивления, напряженности внутри каналов, труб, пленок и так далее. Смешанные задачи типичны для явлений переноса в насадочных фильтрах, слоях, где крайне важно взаимное воздействие элементов диспергированной фазы.
Методы решения задач в химической гидродинамике
Для решения гидродинамических задач используют стандартные методы математических уравнений в виде:
- специальные интегральные методы;
- методы теории размерностей;
- методы стабильной среды и равномерности.
Последние особенно полезны для получения качественных и количественных зависимостей, при масштабном переходе веществ. Также были созданы численные способы и современное компьютерное моделирование.
Для получения правильных соотношений, описывающих начальную скорость процессов переноса возле межфазной границы, в химической гидродинамике в основном используют два подхода:
- Изучают и определяют элементарный акт данного явления, проводя детальное описание множества протекающих одновременно «элементарных сред».
- Вводят дополнительные эффективные параметры химической системы, усредненные по всему периметру или по его части, а затем решают уравнения переноса для указанных величин.
При таких методах необходимо использование только эффективных значений транспортных свойств среды (коэффициента диффузии, вязкости и трения). Определение взаимосвязи этих показателей с особенностями структуры среды составляет самостоятельную задачу.
Например, при создании аппаратуры для химических мощных реакторов и технологических процессов разделения, широко применяют результаты исследования переноса внутреннего импульса и тела между потоком жидкости и дисперсными одиночными включениями.
Однако в ходе описания фильтрования, превращений в насадочных слоях, образования тока в пористых электродах более рентабельно и удобно использовать эффективные значения гидравлического сопротивления, скорости потока, концентрации, электрического потенциала и других параметров.
Применение химической гидродинамики
Рисунок 2. Устройство теплогенератора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Химическая гидродинамика на различных промышленных производствах часто находится в жидком состоянии. Эти разнообразные элементы приходится всегда нагревать и охлаждать, транспортировать и перемешивать, следовательно, знание основных законов движения жидкостей крайне важно для объективного оформления технологических процессов.
При решении сложных задач, напрямую связанных с определением гидродинамических потерь и условий теплопереноса, необходимо применить знание о режиме хаотического движения веществ.
Например, для небольших цилиндрических приборов, зачастую используется ламинарный режим, однако при большем объеме турбулентный.
Экспериментально доказано, что при ламинарном режиме потери кинетической энергии прямо пропорциональны средней скорости движущегося вещества, а при турбулентном данный показатель значительно выше. В общем случае, утрата энергетического потенциала объясняется уравнением Бернулли, объясняющего напряженность внутри системы.
В химической гидродинамике опытным путем было доказано, что величина возможных потерь будет всегда аналогична скоростному напору и зависит от вида самих потерь, которые могут быть линейные и местные. Природа течения жидкости в них находится в прямой зависимости от изменения вектора скорости, как по величине, так и по временным ограничениям.
В некоторых химических аппаратах устанавливают сверхскоростной гидродинамический порог, называемый в физике водосливом.
Одной из главнейших характеристик процессов химической гидродинамики в этой среде является плотность орошения поверхности или расход, позволяющий определить общую толщину. Аппараты со ступенчатой поверхностью нагрева, которые использует указанное научное направление, позволяют экспертам решать важные задачи в производстве в нестойких органических веществах.
