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《华南理工大学》 2011年
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外场作用下的传质Maxwell-Stefan方程及其应用研究

杜尚永  
【摘要】:质量传递是自然界和工程应用中比较常见的过程之一,遍及工农业生产的各个领域。在生产实践中,人们总是希望通过某些方法来提高物质的传递速度,从而提高生产与实验过程的效率。提高萃取速度是各种分离技术的主要目的,也是现代分离科学一直追求的目标。在传统的分离过程中,通常使用热能或者机械能来实现强化传质,随着对电场、超声场、磁场以及微波等外场性质的不断深入研究,很多新型的强化分离技术不断出现,例如微波辅助萃取、超声强化萃取、离心力场分离、高磁梯度分离技术等。外场强化传质越来越广泛地应用于制药、环保、生物工程等领域。外场强化传质已经在众多的实验中得到验证,但这些研究都仅限于实验方面,并且偶尔还存在一些矛盾的实验结果。目前国内外对外场作用下的强化传质机理研究还不够成熟,对于强化传质机理研究不足的一个重要原因就是没有建立一个很好的传质动力学模型,因此对于外场下传质动力学模型的建立与研究显得尤为重要。 目前用于描述质量传递的方程是Fick定律,然而Fick定理只能描述二组分系统由浓度梯度产生的扩散,不能解释由多组分系统扩散过程中所发生的逆扩散、渗透扩散、扩散势垒等奇怪现象,不能描述外场下的传质。在化学工程和工农业的实际生产过程中涉及到的大多是多组分系统,本文介绍了由James Clerk Maxwell和Joesf Stefan建立的应用于多组分系统扩散的Maxwell-Stefan方程。本文阐述了Maxwell-Stefan方程物理意义,介绍了Maxwell-Stefan方程的应用方法及其在多孔介质中的形式,阐述了目前Maxwell-Stefan方程在非等温气体吸收、伴随化学反应的传质以及多孔介质中的传质应用。目前对于Maxwell-Stefan方程的应用,主要体现在多组分上,没有涉及到外场。要建立外场下的强化传质动力学模型,首先要有一个与外场力相关联的传质方程。 Fick定理不能描述外场下的传质,本文把外场力引入到传统的Maxwell-Stefan方程中,将外场作用下普遍化MS方程的表达式改写为清晰且易于使用的形式。本文讨论了通常情况下的几种外场力的表达形式,用外场下的Maxwell-Stefan方程推导欧姆定律,用外场下的Maxwell-Stefan方程描述重力沉降、离心沉降以及电解质溶液的扩散,得出的结论与传统理论描述的结果相同,说明外场下的Maxwell-Stefan方程与传统理论是相容的。与传统理论相比,外场下的Maxwell-Stefan方程理论更加简单易懂,思路更加清晰,而且还能够得到更多有用的信息。 电偶极子是分子物理学中研究极性分子与外场相互作用的一个主要物理模型,在均匀的电场中,电偶极子受到的电场力为零,在非均匀电场的作用下,由于电偶极子的正负电荷受到的力不相等,电偶极子会受到沿电场梯度方向的电场力,电偶极子会沿电场梯度的方向移动。天然中药材中的有效成分分子大多是极性分子,可以等效为电偶极子。本文以萃取虎杖中的白藜芦醇为例,把捣碎后的虎杖颗粒看作均匀的球形颗粒,将白藜芦醇分子等效为电偶极子,用外场下的Maxwell-Stefan方程来描述电场作用下球形颗粒中的传质动力学模型。本文分析了基体中的TC(Target Component)浓度与萃取时间和温度的关系,分析了基体中的TC浓度与颗粒半径的关系,理论描述与其它实验得出的结果能够很好地符合,说明外场下的Maxwell-Stefan方程可以用来描述外场下的传质动力学模型。本文分析了加外场与不加外场两种情况下的萃取速度,探讨强化传质的机理,加外场后萃取速度提高了很多,其原因是加了外场后,由于外场力的存在导致了总的传质推动力的增加,从而提高了传质的速度,这就是外场强化传质的机理,为外场强化传质提供理论指导。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ021.3

【引证文献】
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