化工中的流體力學問題（附多物理場視頻）

技術鄰公告

2020年7月28日 14:34

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來源：王振東科學網博客

作者：王振東

文末附視頻

化工是國民經濟中一個很重要的產業，既生產多種產業所需要的原料，也提供很多中間產品或最終產品。在化工生產過程中，會涉及大量的流體力學問題。

所謂化工過程，廣義上講是指物質經受性質上變化的過程，包括物理的和化學的性質的變化，它與只有物體形狀和位置變化的一般機械物理過程不同。早在古代，陶器的制作、酒和醋的釀造、青銅器的冶煉以及稍后的煉丹、造紙等，都屬于化工過程。后來有些化工部門由于生產規模發展相當龐大，己獨立形成了各自的生產部門，如黑色與有色金屬的冶煉、玻璃、陶瓷和水泥的制作，以及放射物質的提煉等等。

現在雖然它們已分別叫做冶金工業、硅酸鹽工業、或原子能工業等，但仍保持著化工過程所具有的共同特點。這些部門與包括酸、堿、鹽的無機化工，包括基本有機原料和高分子化合物的重有機化工，以及包括造紙、制糖、發酵、染料、涂料、制藥等的輕化工，還有近代的環境工程、和生物醫學工程等領域一起，提供了各式各樣的物理-化學變化過程的課題，其中大量是涉及到流體運動的問題。

化工中流動問題的特點

為了解流體力學在化工的發展中起什么作用，有必要了解化工過程中流體運動的特點。化工中的流體運動問題，大致有以下5個特點：

1. 化工生產時，物料一般都在流動

化工過程大部分是連續操作的，不論是氣體、液體或固體的原料，一般都在流動。現代化工生產工藝的一個重要趨勢，就是將固體形態的原材料，采用粉碎、浸提、溶解、熔化、加某種流體攪拌等方法，使之流體化后，在流動的過程中進行反應、改性、加工、提煉等，最后再經過冷卻、干燥、濃縮、蒸發、擠入模具等，形成固體形態的產品。如冶金、造紙、化纖、塑料、橡膠、化肥、感光材料、制糖、制藥等，工藝過程都如此。所以這些部門的生產效率和產品質量，就在很大程度上依賴于人們對流體運動規律的認識、掌握和應用的水平。化學生產工藝的設計，在相當大的程度上是流體力學的設計。

2. 各種化工過程所使用的設備結構形式既多樣又復雜

這些化工設備有著各式各樣的進、出口，還有各種類型的換熱管，攪拌器，以及改變物料流動方向和混合狀態用的各種形式的檔板、分布器或其他內部構件。這就使得流動的邊界條件很復雜，所以除少數問題外，求解析解一般是不可能的。

3. 流體物料的種類十分廣泛

各種化工過程所處理的流體物料種類十分廣泛，從高真空下的稀薄氣體，到黏度達幾萬泊的高黏液體；從一般的牛頓流體，到各式各樣的非牛頓流體；從單相流體，到各種多相的流體體系，如氣-液，液-液，氣-固及氣-液-固多相流體等。不同種類流體的力學行為常常很不相同，其中對不少種類流體，我們還了解得很不夠。

4. 流動同時伴有熱量與質量的傳遞

化工過程中流體流動的另一個基本特點是同時伴有熱量與質量的傳遞。如丁基橡膠是在近-100oC的攪拌釜中生產的，而天然的裂解制乙炔則在800oC～1500oC的高溫燃燒爐中進行。又如尾氣處理時，往往要從大量流動的氣體中將含量僅十萬分之幾的組分回收下來；而在產品精制時，則有時需要通過幾百塊塔板上的氣液兩相逆流接觸，才能把沸點相差不到1oC的物質分離開來。因此，流體流動與熱、質傳遞常是互相依存而不可分開的，這也增加了問題的復雜性。

5. 流動同時伴有化學反應

化學反應過程在化工中的重要地位是不言而喻的，而化學反應的存在又使得流動情況進一步復雜化。在沒有化學反應時，流體力學的相似理論或量綱分析的方法用起來就已較困難；對伴有化學反應的流動來說，這些方法往往就行不通了。只有另外想辦法建立有針對性的數學摸型，從而進行數學摸擬放大。對于流動體系，建立數學摸型的第一步是明確流體動力學規律，因為一切熱量傳遞、質量傳遞及化學反應都是載在流體的身上的。正是這樣的原因，才使在國際上的化學工程文獻中，涉及流體力學方面的文章始終占有最多的篇幅。

化工生產規模大小不等，小的年產甚至不到1噸（如制藥），大的可達1×10 ⁶噸（如煉油）。由于相差懸殊，問題往往截然不同。對于小裝置，問題常在化學和工藝方面；而對于大型裝置，流體力學方面的問題則變得十分突出。一個化工產品，從實驗室開始到大規模生產，其中要經過小試、中試等階段。這主要不是因為化學反應不清楚，而是流動狀態不清楚。據說在美國研制化工產品時，某些情況下已能免去小試、中試等過程，原因就在于他們對某些設備的流體力學問題弄得比較清楚。

典型化工設備中的流體運動

1. 促使化工設備中流體運動發生的方式

化工生產中促使流體產生運動的方式很多，常用的有以下3種：

用流體機械，風機或泵，對流體施加一定的壓力，促使流體在壓力差的推動下運動。根據所產生的壓力梯度類型的不同，流體運動的方式也有所不同。當壓力梯度周期性變化時，流體運動也將有周期性的變化。
通過邊界的運動或流體中物體的運動以推動流體，例加攪拌器中漿葉的運動。根據邊界或物體運動的類型不同，如移動、轉動或振動，所產生的流體運動也有不同的規律。
由于溫度或濃度不同，空間各處流體的密度也不同，致使流體中產生自然對流。這時浮力是造成運動的主要原因。控制運動的因素將不同于強制對流的情況。
實際上常是幾種方式聯合作用，促使化工設備中的流體產生運動。

2. 換熱器與管內外運動

流體運動按其邊界條件可分為繞流（外流）與內流。以化工生產所使用的換熱器為例，繞流與內流的問題都會遇到。如外掠換熱時，流體經過單根換熱圓管，這是繞流問題；流體在各種輸送管道或套管、蛇管、列管等各種換熱器管內的流動，都是內流問題。下圖給出幾種典型的換熱器，多數可同時產生這兩種流動。

換熱器

化工設備中的流體，并不只是水和空氣，還涉及到各種有機溶液、無機溶液、懸浮液、泡沫液等。所用設備如分離設備、混合器、反應器等種類繁多，幾何形狀復雜。所以化工設備中流體的流動，經常不能用外流或內流來概括，更多的是同時具有內外流動的問題。

3. 攪拌槽

在化工生產中，常用攪拌使物料混合，以促進熱量和物質的傳遞和化學反應。攪拌槽的基本結構如圖所示，它是由圓筒形槽、葉輪、檔板等組成的，葉輪以一定速度旋轉，促使槽中液體運動。顯然，這是內外邊界同時存在的流動問題。

攪拌槽

葉輪的形狀、幾何尺寸、數目，槽的形狀、直徑和高度，檔板的數目及寬度等，都是影響流動的重要參數。為了簡化處理，常需根據不同的目的，對眾多的幾何特征進行分析后做出取舍。通常認為，最重要的參數是葉輪直徑 d 和攪拌直徑 D 之比。提高混合效率是設計攪拌器的最主要目標，這牽涉到流體中各種尺度運動的強度和分布。

4. 塔設備與氣、液兩相流動

林立的高塔是化工廠的主要標志之一，這些塔大多數用來實現傳質、傳熱和反應，如內裝幾十甚至上百塊泡罩板、浮閥板或篩孔板的板式塔，高達四五十米是常見的，氣、液兩相就在塔內逆向流動進行接觸。有的進行蒸餾，將互溶的組分根據其蒸汽壓不同而加以分開；有的進行吸收，將氣相中的某一組分依靠它在溶劑中溶解度特別大的性質而回收下來，等等。

篩板塔是最常用的一種，如圖所示。篩板是一種規則排列著許多小孔的多孔板。塔板上的液體橫向流過塔板，逐板由降液管溢流而下；氣體則自下而上逐板由小孔鼓泡通過液層。這是典型的氣液兩相操作。塔效率的高低與氣體、液體的接觸面大小有關，而這又與流體中氣泡的破碎及分布有關。設計的指標之一是加強氣體流經液體時破碎的程度，及分布的均勻度。孔的直徑、孔之間的距離，以及表示板上小孔面積與塔板面積之比的開孔率，這些都是控制塔效率的主要幾何特征參數。

篩板塔

塔板上的孔，有時為某種需要做成凸起的帶帽的形狀。液相在塔板上流，氣相則從下頂起蓋帽，穿過孔洞流上來，在此過程中完成傳質、傳熱或其他物理、化學過程。對這樣復雜的流動問題，要想徹底弄清，得到一個普適的公式是極困難的。當前可行的辦法是針對一些典型設備，進行深入的機理研究，并配合必要的實驗和經驗，找到相應的規律。

5. 固定床與流體通過多孔介質的流動

由大量固體顆粒堆積而成的靜止的顆粒層，稱為固定床。流體從顆粒間的空隙中通過，這種類型的流動常稱為通過多孔介質的流動，如圖4(a) 所示。當顆粒是催化劑時，固定床是進行化學反應的反應器；當顆粒是吸附劑時，它是干燥器或分離器，可除去氣體中的濕份（如水）或分離混合物；此外，過濾操作、地下水、石油滲流等也都與固定床有關。

固定床中的流動示意圖

由于顆粒層內的空隙通道彎曲多變，流動情況相當復雜，并不是單純的內部或外部問題。在工程上用簡化方法來處理，提出了兩種基本模型：

管流模型：將空隙串聯起來，形成虛擬的管道，流體從其中通過，簡化成了內部問題。
繞流模型：將顆粒各自孤立，流體繞過顆粒，簡化成外部問題處理（見固定床中的流動示意圖）。這些模型由于太過于簡化，與實際情況差得尚遠，還需要做深入的研究。

固定床與自然界的一般滲透不同之處，在于它們一般是在外加專門力場下進行的。

6. 流化床與流體和固體的兩相流動

流體自下而上通過堆積的固體顆粒床層，當流體在床層縫隙中穿行的實際速度小于顆粒的沉降速度時，床層靜止，即為前述的固定床。隨著流體流速的增大，床層膨脹，直至顆粒懸浮，分散于流體之中。此時，床層的上界面猶如液體沸騰時的狀態，具有類似流體的某些宏觀特性，故稱為流化床或沸騰床，如流化床圖所示。

(a)液-固系統流化床；(b)氣-固系統流化床

流化床

在液-固系統中，床層比較均一、平穩；而在氣-固系統中情況則不同，除部分氣體均勻分散外，相當大量的氣體以氣泡的形式穿越床層。流化床廣泛用于換熱、干燥、反應、焙燒、吸附等化工過程。流化床設備的外形（如長方形、圓柱形或圓錐形等）和內部構件（氣體分布板、換熱器、檔板等）的幾何特征以及顆粒粒度分布，對氣泡行為和氣固接觸狀況均有重大的影響。適當的氣泡能提高流化床的效率，而氣泡若太大了，操作又會不穩定。近年來，流體力學工作者己經在流化床的穩定性問題上提出了一些很有用的理論模型，對流化床的設計有理論指導意義。

流化床盡管應用已相當廣泛，大型的甚至直徑約達10米，藏量達100噸以上，其可靠的定量研究報告還不算多。為了將流態化技術切實掌握起來，需要深入研究有關的流體力學問題，如流化床測試技術的研究，特別是局部的實時測量和數據的分析處理問題；三維床中氣泡的聚并和穩定性，特別是它與固體粒子的物性、大小和粒度分布的關系問題；氣泡相與含粒子相間的相互運動和相間質量交換問題；分布孔口射流的結構及其影響區內的傳質問題；各內部構件與床內氣、固兩相流動和傳質的定量關系問題，等等。

7. 燃燒爐

近代化工中的著名大型裝置，如年產3×10 ⁵噸乙烯及年產3×10 ⁵噸合成氨的裝置，其化工過程都是在外燒氣體或液體燃料的管式爐中進行的。以乙烯裝置為例，我國20世紀80年代初引進的Lumus SRT (Short residence time) 裂解爐，就是由多組70米長的變徑爐管構成的。管內走裂解原料，存留時間只有0.45～0.6s；管外側墻兩側配置有112個無焰噴嘴，底部亦有16個燒油的噴嘴。為了獲得高的乙烯產出率，必須斤斤計較大型裝置的經濟性問題，要求在高溫（因受管子材質限制，一般引進裝置的管壁最高可承受溫度在830oC左右）和短暫停留時間內（目前已有所謂的“毫秒”爐）將反應進行完畢，這就需要有特殊的燃燒技術。國外一些公司都曾在這方面投入大量人力物力，長期進行研究，發明了各種專利，這些專利在以下方面各有技術專長：

熱強度大，可在很短時間內送入大量的熱量；
可調節熱負荷以適應不同性質的原料和調節全反應管的溫度分布；
提高熱效率，減少消耗定額；
結構緊湊，操作、維修方便。

STR裂解爐

要切實掌握和發展這方面的技術，需要進行爐中的流場顯示和分析，并要研究噴嘴結構和燃燒效率，以及建立整個爐的設計計算模型。

結語

從以上這些典型的化工設備中的流體流動問題，不難看出化工中流體力學問題的重要性和復雜往。化工中所遇到的流體常是多相、多組分和多反應的“三多”系統。而且流體流動與傳質、傳熱和化學反應又經常緊密結合在一起。

為了正確地設計化工中所采用的設備，關鍵之一就是對其中的流動有充分的認識并能定量計算。但由于流動的復雜性，目前流體力學還不能給出它們通用的計算方法或公式。現在所用的解決方法，是在一般流體力學的原理指導下，針對不同類型的設備，通過試驗來尋找具體的規律。試驗往往只能在小的模型上做，還要將在小模型上得到的規律應用到大的裝置上，重要的指導原則是流體力學中的相似性原理。但由于相似性原理提出的條件一般又很難同時滿足，這時還要依靠以往的經驗或做一些補充的試驗及分析以做出取舍。由于這些不確定性，往往要經過模型試驗→小試（小規模裝置的試驗）→中試等中間過程，而這樣顯然是很不經濟的。

隨著測試手段和計算手段的改進，己經逐漸有可能對單相流問題直接進行計算，對多相流問題則先弄清細觀層次規律，然后在宏觀層次上進行計算。如能做到這一步，則化工過程的設計就有可能更多地依靠科學，較少地依賴主觀經驗，其意義是十分重大的。盡管做起來十分困難，但由于其重大的意義，世界各先進國家都正在這個方向上努力。

來源：汽航院

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