化工中的流体力学问题

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化工是国民经济中一个很重要的产业，既生产多种产业所需要的原料，也提供很多中间产品或最终产品。在化工生产过程中，会涉及大量的流体力学问题。

所谓化工过程，广义上讲是指物质经受性质上变化的过程，包括物理的和化学的性质的变化，它与只有物体形状和位置变化的一般机械物理过程不同。早在古代，陶器的制作、酒和醋的酿造、青铜器的冶炼以及稍后的炼丹、造纸、火药制造等，都属于化工过程。后来有些化工部门由于生产规模发展相当庞大，己独立形成了各自的生产部门，如黑色与有色金属的冶炼、玻璃、陶瓷和水泥的制作，以及放射物质的提炼等等。现在虽然它们已分别叫做冶金工业、硅酸盐工业、或原子能工业等，但仍保持着化工过程所具有的共同特点。这些部门与包括酸、碱、盐的无机化工，包括基本有机原料和高分子化合物的重有机化工，以及包括造纸、制糖、发酵、染料、涂料、制药等的轻化工，还有近代的环境工程、和生物医学工程等领域一起，提供了各式各样的物理-化学变化过程的课题，其中大量是涉及到流体运动的问题。

化工中流动问题的特点

为了解流体力学在化工的发展中起什么作用，有必要了解化工过程中流体运动的特点。化工中的流体运动问题，大致有以下5个特点：

1. 化工生产时，物料一般都在流动

化工过程大部分是连续操作的，不论是气体、液体或固体的原料，一般都在流动。现代化工生产工艺的一个重要趋势，就是将固体形态的原材料，采用粉碎、浸提、溶解、熔化、加某种流体搅拌等方法，使之流体化后，在流动的过程中进行反应、改性、加工、提炼等，最后再经过冷却、干燥、浓缩、蒸发、挤入模具等，形成固体形态的产品。如冶金、造纸、化纤、塑料、橡胶、化肥、感光材料、制糖、制药等，工艺过程都如此。所以这些部门的生产效率和产品质量，就在很大程度上依赖于人们对流体运动规律的认识、掌握和应用的水平。化学生产工艺的设计，在相当大的程度上是流体力学的设计。

2. 各种化工过程所使用的设备结构形式既多样又复杂

这些化工设备有着各式各样的进、出口，还有各种类型的换热管，搅拌器，以及改变物料流动方向和混合状态用的各种形式的档板、分布器或其他内部构件。这就使得流动的边界条件很复杂，所以除少数问题外，求解析解一般是不可能的。

3. 流体物料的种类十分广泛

各种化工过程所处理的流体物料种类十分广泛，从高真空下的稀薄气体，到黏度达几万泊的高黏液体；从一般的牛顿流体，到各式各样的非牛顿流体；从单相流体，到各种多相的流体体系，如气-液，液-液，气-固及气-液-固多相流体等。不同种类流体的力学行为常常很不相同，其中对不少种类流体，我们还了解得很不够。

4. 流动同时伴有热量与质量的传递

化工过程中流体流动的另一个基本特点是同时伴有热量与质量的传递。如丁基橡胶是在近-100oC的搅拌釜中生产的，而天然的裂解制乙炔则在800oC～1500oC的高温燃烧炉中进行。又如尾气处理时，往往要从大量流动的气体中将含量仅十万分之几的组分回收下来；而在产品精制时，则有时需要通过几百块塔板上的气液两相逆流接触，才能把沸点相差不到1oC的物质分离开来。因此，流体流动与热、质传递常是互相依存而不可分开的，这也增加了问题的复杂性。

5. 流动同时伴有化学反应

化学反应过程在化工中的重要地位是不言而喻的，而化学反应的存在又使得流动情况进一步复杂化。在没有化学反应时，流体力学的相似理论或量纲分析的方法用起来就已较困难；对伴有化学反应的流动来说，这些方法往往就行不通了。只有另外想办法建立有针对性的数学摸型，从而进行数学摸拟放大。对于流动体系，建立数学摸型的第一步是明确流体动力学规律，因为一切热量传递、质量传递及化学反应都是载在流体的身上的。正是这样的原因，才使在国际上的化学工程文献中，涉及流体力学方面的文章始终占有最多的篇幅。

化工生产规模大小不等，小的年产甚至不到1吨（如制药），大的可达1×106吨（如炼油）。由于相差悬殊，问题往往截然不同。对于小装置，问题常在化学和工艺方面；而对于大型装置，流体力学方面的问题则变得十分突出。一个化工产品，从实验室开始到大规模生产，其中要经过小试、中试等阶段。这主要不是因为化学反应不清楚，而是流动状态不清楚。据说在美国研制化工产品时，某些情况下已能免去小试、中试等过程，原因就在于他们对某些设备的流体力学问题弄得比较清楚。

典型化工设备中的流体运动

1. 促使化工设备中流体运动发生的方式

化工生产中促使流体产生运动的方式很多，常用的有以下3种：

  · 用流体机械，风机或泵，对流体施加一定的压力，促使流体在压力差的推动下运动。根据所产生的压力梯度类型的不同，流体运动的方式也有所不同。当压力梯度周期性变化时，流体运动也将有周期性的变化。

  · 通过边界的运动或流体中物体的运动以推动流体，例加搅拌器中浆叶的运动。根据边界或物体运动的类型不同，如移动、转动或振动，所产生的流体运动也有不同的规律。

  · 由于温度或浓度不同，空间各处流体的密度也不同，致使流体中产生自然对流。这时浮力是造成运动的主要原因。控制运动的因素将不同于强制对流的情况。

  · 实际上常是几种方式联合作用，促使化工设备中的流体产生运动。

2. 换热器与管内外运动

流体运动按其边界条件可分为绕流（外流）与内流。以化工生产所使用的换热器为例，绕流与内流的问题都会遇到。如外掠换热时，流体经过单根换热圆管，这是绕流问题；流体在各种输送管道或套管、蛇管、列管等各种换热器管内的流动，都是内流问题。下图给出几种典型的换热器，多数可同时产生这两种流动。

换热器

化工设备中的流体，并不只是水和空气，还涉及到各种有机溶液、无机溶液、悬浮液、泡沫液等。所用设备如分离设备、混合器、反应器等种类繁多，几何形状复杂。所以化工设备中流体的流动，经常不能用外流或内流来概括，更多的是同时具有内外流动的问题。

3. 搅拌槽

在化工生产中，常用搅拌使物料混合，以促进热量和物质的传递和化学反应。搅拌槽的基本结构如图所示，它是由圆筒形槽、叶轮、档板等组成的，叶轮以一定速度旋转，促使槽中液体运动。显然，这是内外边界同时存在的流动问题。

搅拌槽

叶轮的形状、几何尺寸、数目，槽的形状、直径和高度，档板的数目及宽度等，都是影响流动的重要参数。为了简化处理，常需根据不同的目的，对众多的几何特征进行分析后做出取舍。通常认为，最重要的参数是叶轮直径d 和搅拌直径D 之比。提高混合效率是设计搅拌器的最主要目标，这牵涉到流体中各种尺度运动的强度和分布。

4. 塔设备与气、液两相流动

林立的高塔是化工厂的主要标志之一，这些塔大多数用来实现传质、传热和反应，如内装几十甚至上百块泡罩板、浮阀板或筛孔板的板式塔，高达四五十米是常见的，气、液两相就在塔内逆向流动进行接触。有的进行蒸馏，将互溶的组分根据其蒸汽压不同而加以分开；有的进行吸收，将气相中的某一组分依靠它在溶剂中溶解度特别大的性质而回收下来，等等。

筛板塔是最常用的一种，如图所示。筛板是一种规则排列着许多小孔的多孔板。塔板上的液体横向流过塔板，逐板由降液管溢流而下；气体则自下而上逐板由小孔鼓泡通过液层。这是典型的气液两相操作。塔效率的高低与气体、液体的接触面大小有关，而这又与流体中气泡的破碎及分布有关。设计的指标之一是加强气体流经液体时破碎的程度，及分布的均匀度。孔的直径、孔之间的距离，以及表示板上小孔面积与塔板面积之比的开孔率，这些都是控制塔效率的主要几何特征参数。

筛板塔

塔板上的孔，有时为某种需要做成凸起的带帽的形状。液相在塔板上流，气相则从下顶起盖帽，穿过孔洞流上来，在此过程中完成传质、传热或其他物理、化学过程。对这样复杂的流动问题，要想彻底弄清，得到一个普适的公式是极困难的。当前可行的办法是针对一些典型设备，进行深入的机理研究，并配合必要的实验和经验，找到相应的规律。

5. 固定床与流体通过多孔介质的流动

由大量固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层，称为固定床。流体从颗粒间的空隙中通过，这种类型的流动常称为通过多孔介质的流动，如图4(a) 所示。当颗粒是催化剂时，固定床是进行化学反应的反应器；当颗粒是吸附剂时，它是干燥器或分离器，可除去气体中的湿份（如水）或分离混合物；此外，过滤操作、地下水、石油渗流等也都与固定床有关。

固定床中的流动示意图

由于颗粒层内的空隙通道弯曲多变，流动情况相当复杂，并不是单纯的内部或外部问题。在工程上用简化方法来处理，提出了两种基本模型：

  · 管流模型：将空隙串联起来，形成虚拟的管道，流体从其中通过，简化成了内部问题。

  · 绕流模型：将颗粒各自孤立，流体绕过颗粒，简化成外部问题处理（见固定床中的流动示意图）。这些模型由于太过于简化，与实际情况差得尚远，还需要做深入的研究。

固定床与自然界的一般渗透不同之处，在于它们一般是在外加专门力场下进行的。

6. 流化床与流体和固体的两相流动

流体自下而上通过堆积的固体颗粒床层，当流体在床层缝隙中穿行的实际速度小于颗粒的沉降速度时，床层静止，即为前述的固定床。随着流体流速的增大，床层膨胀，直至颗粒悬浮，分散于流体之中。此时，床层的上界面犹如液体沸腾时的状态，具有类似流体的某些宏观特性，故称为流化床或沸腾床，如流化床图所示。

(a)液-固系统流化床；(b)气-固系统流化床

流化床

在液-固系统中，床层比较均一、平稳；而在气-固系统中情况则不同，除部分气体均匀分散外，相当大量的气体以气泡的形式穿越床层。流化床广泛用于换热、干燥、反应、焙烧、吸附等化工过程。流化床设备的外形（如长方形、圆柱形或圆锥形等）和内部构件（气体分布板、换热器、档板等）的几何特征以及颗粒粒度分布，对气泡行为和气固接触状况均有重大的影响。适当的气泡能提高流化床的效率，而气泡若太大了，操作又会不稳定。近年来，流体力学工作者己经在流化床的稳定性问题上提出了一些很有用的理论模型，对流化床的设计有理论指导意义。

流化床尽管应用已相当广泛，大型的甚至直径约达10米，藏量达100吨以上，其可靠的定量研究报告还不算多。为了将流态化技术切实掌握起来，需要深入研究有关的流体力学问题，如流化床测试技术的研究，特别是局部的实时测量和数据的分析处理问题；三维床中气泡的聚并和稳定性，特别是它与固体粒子的物性、大小和粒度分布的关系问题；气泡相与含粒子相间的相互运动和相间质量交换问题；分布孔口射流的结构及其影响区内的传质问题；各内部构件与床内气、固两相流动和传质的定量关系问题，等等。

7. 燃烧炉

近代化工中的著名大型装置，如年产3×105吨乙烯及年产3×105吨合成氨的装置，其化工过程都是在外烧气体或液体燃料的管式炉中进行的。以乙烯装置为例，我国20世纪80年代初引进的Lumus SRT (Short residence time) 裂解炉，就是由多组70米长的变径炉管构成的。管内走裂解原料，存留时间只有0.45～0.6s；管外侧墙两侧配置有112个无焰喷嘴，底部亦有16个烧油的喷嘴。为了获得高的乙烯产出率，必须斤斤计较大型装置的经济性问题，要求在高温（因受管子材质限制，一般引进装置的管壁最高可承受温度在830oC左右）和短暂停留时间内（目前已有所谓的“毫秒”炉）将反应进行完毕，这就需要有特殊的燃烧技术。国外一些公司都曾在这方面投入大量人力物力，长期进行研究，发明了各种专利，这些专利在以下方面各有技术专长：

  · 热强度大，可在很短时间内送入大量的热量；

  · 可调节热负荷以适应不同性质的原料和调节全反应管的温度分布；

  · 提高热效率，减少消耗定额；

  · 结构紧凑，操作、维修方便。

STR裂解炉

要切实掌握和发展这方面的技术，需要进行炉中的流场显示和分析，并要研究喷嘴结构和燃烧效率，以及建立整个炉的设计计算模型。

结   语

从以上这些典型的化工设备中的流体流动问题，不难看出化工中流体力学问题的重要性和复杂往。化工中所遇到的流体常是多相、多组分和多反应的“三多”系统。而且流体流动与传质、传热和化学反应又经常紧密结合在一起。

为了正确地设计化工中所采用的设备，关键之一就是对其中的流动有充分的认识并能定量计算。但由于流动的复杂性，目前流体力学还不能给出它们通用的计算方法或公式。现在所用的解决方法，是在一般流体力学的原理指导下，针对不同类型的设备，通过试验来寻找具体的规律。试验往往只能在小的模型上做，还要将在小模型上得到的规律应用到大的装置上，重要的指导原则是流体力学中的相似性原理。但由于相似性原理提出的条件一般又很难同时满足，这时还要依靠以往的经验或做一些补充的试验及分析以做出取舍。由于这些不确定性，往往要经过模型试验→小试（小规模装置的试验）→中试等中间过程，而这样显然是很不经济的。

随着测试手段和计算手段的改进，己经逐渐有可能对单相流问题直接进行计算，对多相流问题则先弄清细观层次规律，然后在宏观层次上进行计算。如能做到这一步，则化工过程的设计就有可能更多地依靠科学，较少地依赖主观经验，其意义是十分重大的。尽管做起来十分困难，但由于其重大的意义，世界各先进国家都正在这个方向上努力。

来源：王振东科学网博客，作者：王振东。