漫談化工中的流體力學問題

漫談化工中的流體力學問題

本文轉(zhuǎn)自科學網(wǎng)王振東“以文會友”博客。曾首刊〈力學與實踐》2002年第3期，并收入《詩

情畫意談力學》第21篇。作者現(xiàn)添加圖片和視頻，授權(quán)在力學酒吧發(fā)布。

目錄

1.刖百..................................................................................................................

2.化工中流動問題的特點..............................................................................1

3.典型化工設(shè)備中的流體運動..........................................................................5

4.結(jié)語...............................................................................................14

5.參考文獻..........................................................................................15

1.前言

化工是國民經(jīng)濟中一個很重要的產(chǎn)業(yè)，既生產(chǎn)多種產(chǎn)業(yè)所需要的原料，也提供很多中間產(chǎn)晶或

最終產(chǎn)品。在化工生產(chǎn)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(zhì)經(jīng)受性質(zhì)上變化的過程，包括物理的和化學的性質(zhì)的變化。

它與只有物體形狀，和位置變化的一般機械一物理過程不同。

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、火藥制造等，

都屬于化工過程。后來有些化工部門由于生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展相當龐大，己獨立形成了各自的生產(chǎn)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(zhì)的提煉，等等。

現(xiàn)在雖然它們己分別叫做冶金工業(yè)、硅酸鹽工業(yè)、原子能工業(yè)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(fā)酵、染料、涂料、制藥等的輕化工，還有近代的環(huán)境工程、和生物

醫(yī)學工程等領(lǐng)域一起，提供了各式各樣的物理■化學變化過程的課題，其中大量涉及到流體運動的問

題。

2.化工中流動問題的特點

為了解流體力學在化工的發(fā)展中起什么作用，有必要了解化工過程中流體運動的特點?；ぶ?/p>

的流體運動問題大致有以下5個特點：

(1)化工生產(chǎn)時，物料一般都在流動

化工過程大部分是連續(xù)操作的，不論是氣體、液體或固體的原料，一般都在流動中?，F(xiàn)代化工

生產(chǎn)工藝的一個重要趨勢，就是將固體形態(tài)的原材料，采用粉碎、浸提、溶解、熔化、加某種流體

第1頁共15頁

攪拌等方法，使之流體化后，在流動的過程中進行反應(yīng)、改性、加工、提煉等，最后再經(jīng)過冷卻、

干燥、濃縮、蒸發(fā)、擠入模具等形成固體形態(tài)的產(chǎn)品。如冶金、造紙、化纖、塑料、橡膠、化肥、

感光材料、制糖、制藥等的工藝過程都如此。所以這些部門的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，就在很大程度

上依賴于人們對流體運動規(guī)律的認識、掌握和應(yīng)用的水平?；瘜W生產(chǎn)工藝的設(shè)計，在相當大的程度

上是流體力學的設(shè)計。

圖1某化工廠全景圖

(2)各種化工過程所使用的設(shè)備結(jié)構(gòu)形式既多樣又復雜

這些化工設(shè)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(tài)用的各種形式的檔板、分布器或其他內(nèi)部構(gòu)件。這就使得流動的邊界條件很復雜，

所以除少數(shù)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，到黏度達幾千泊的高

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，

第2頁共15頁

圖2煉油廠

(4)流動同時伴有熱量與質(zhì)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(zhì)量的傳遞。如丁基橡膠是在近-

100℃的攪拌釜中生產(chǎn)的；而天然的裂解制乙快則在800℃?1500C的高溫燃燒爐中進行。又如尾

氣處理時，往往耍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(chǎn)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的物質(zhì)分離。因此，流

體流動與熱量、質(zhì)量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。

第3頁共15頁

圖3石油化工廠

(5)流動同時伴有化學反應(yīng)

化學反應(yīng)過程在化工中的重要地位是不言而喻的，而化學反應(yīng)的存在又使得流動情況進一步復

雜化。在沒有化學反應(yīng)時，流體力學的相似理論或量綱分析的方法用起來就己較困難；對伴有化學

反應(yīng)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(shù)學摸型，從而進行

數(shù)學模擬放大。對于流動體系，建立數(shù)學摸型的第一步是明確流體動力學規(guī)律，因為一切熱量傳

遞、質(zhì)量傳遞及化學反應(yīng)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。

第4頁共15頁

圖4水泥廠

化工生產(chǎn)規(guī)模大小不等，小的年產(chǎn)甚至不到It（如制藥），大的可達IX106t（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(chǎn)品，從實驗室開始到大規(guī)模生產(chǎn)，其中要經(jīng)過小試、中試

等階段。這主要不是因為化學反應(yīng)不清楚，而是流動狀態(tài)不清楚。據(jù)說在美國研制化工產(chǎn)品時，某

些情況下己能兔去小試、中試等過程，原因就在于他們對某些設(shè)備的流體力學問題弄得比較清楚。

3.典型化工設(shè)備中的流體運動

（1）促使化工設(shè)備中流體運動發(fā)生的方式

化工生產(chǎn)中促使流體產(chǎn)生運動的方式很多，常用的有以下3種：

1）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(jù)所

產(chǎn)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。2）通過邊界的運動或流體中物體的運動以推動流體，例如攪拌落中漿葉的運

動。根據(jù)邊界或物體運動的類型不同，如移動、轉(zhuǎn)動或振動，所產(chǎn)生的流體運動也有不同的規(guī)律。

3）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(chǎn)生自然對流。這討浮力是造成

第5頁共15頁

運動的主要原因?？刂七\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(lián)合作用，促使化工設(shè)備中的流體產(chǎn)生運動。

(2)換熱器與管內(nèi)外運動

流體運動按其邊界條件可分為繞流(外流)與內(nèi)流。以化工生產(chǎn)所使用的換熱器為例，繞流與內(nèi)

流的問題都會遇到。如外掠換熱時，流體經(jīng)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、列管等各種換熱宿管內(nèi)的流動，都是內(nèi)流問題。圖5給出了幾種典型的換熱器，多

數(shù)可同時產(chǎn)生這兩種流動。

(a)外掠換熱(b)套管換熱器

沉浸式蛇管換熱器

(c)列管換熱器(d)

圖5換熱器

化工設(shè)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

第6頁共15頁

等。所用設(shè)備如分離設(shè)備、混合器、反應(yīng)器等種類繁多，幾何形狀復雜。所以化工設(shè)備中流體的流

動，經(jīng)常不能用外流或內(nèi)流來概括，更多的是同時具有內(nèi)外流動的問題。

圖6化工廠的管道

(3)攪拌槽

在化工生產(chǎn)中，常用攪拌使物料混合，以促進熱量和物質(zhì)的傳遞和化學反應(yīng)。攪拌槽的基木結(jié)

第7頁共15頁

構(gòu)如圖7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(zhuǎn)，促使槽中液體運

動。顯然，這是內(nèi)外邊界同時存在的流動問題。

圖7攪拌槽

葉輪的形狀、幾何尺寸、數(shù)目，槽的形狀、直徑和高度，檔板的數(shù)目及寬度等，都是影響流動

的重要參數(shù)。為了簡化處理，常需根據(jù)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(shù)是葉輪直徑d和攪拌直徑D之比。提高混合效率是設(shè)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(shè)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(shù)用來實現(xiàn)傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)，如內(nèi)裝幾十

甚至上百塊泡罩板、浮閥板或篩孔板的板式塔，高達40?50m是常見的，氣、液兩相就在塔內(nèi)逆向

流動遂行接觸。有的進行蒸儲，將互溶的組分根據(jù)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(zhì)而回收下來，等等。

篩板塔是最常用的一種，如圖8所示。篩板是一種規(guī)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(guān)，而這又與流體中氣泡的破碎及分布

第8頁共15頁

有關(guān)。設(shè)計的指標之一是加強氣體流經(jīng)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(shù)。

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(zhì)、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(shè)備，進行

深入的機理研究，并配合必要的實驗和經(jīng)驗，找到相應(yīng)的規(guī)律。

圖8篩板塔

(5)固定床與流體通過多孔介質(zhì)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(zhì)的流動，如圖9a所示。當顆粒是催化劑時，固定床是進行化學反應(yīng)

的反應(yīng)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(guān)。

第9頁共15頁

工圖模

在如些

。，這

題題。

問問示

型部部所。

模外內(nèi)c的

流或了9行

繞)部成圖進

c(內(nèi)化如下

的簡，場

純，理力

單過處門

是通題專

不中問。加

并其部究外

圖，從外研在

意雜體成的是

示復流化入般

!動頁

5當，簡深一5

模流1

的相道，做們共

流中況管粒要它頁

管0

床情。的顆需于1

L///VV1)定

b(動型擬過還在第

固模，，

9流虛繞

，本成體遠處

圖

變基形流尚之

多種，，得同

曲兩來立差不

彎了起孤況透

道出聯(lián)自情滲

通提串各際般

隙，隙粒實一

床空理空顆與的

定的處將將，界

固

)內(nèi)來：：化然

a層法型型簡自

(粒方模模于與

顆化流流過床

于簡。太定

管)繞)

由用1示2于固

所

上b由

程9型

圖10焦化廠

(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(tài)，具有類似流體的某些宏觀特性，故稱為流

化床或沸騰床，如圖11所示。

第11頁共15頁

擋板

圖11流化床，⑶液-固系統(tǒng)流化床化）氣-固系統(tǒng)流化床

在液-固系統(tǒng)中，床層比較均一、平穩(wěn)，如圖11a所示；而在氣?固系統(tǒng)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，如圖11b所示。流化床廣泛用于換

熱、干燥、反應(yīng)、焙燒、吸附等化工過程。流化床設(shè)備的外形（如長方形、圓柱形或圓錐形等）和內(nèi)

部構(gòu)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?shù)臍馀菽芴岣吡骰驳男?，而氣泡若太大了，操作乂會不穩(wěn)定。近年來，

流體力學工作者己經(jīng)在流化床的穩(wěn)定性問題上提出了一些很有用的理論模型，對流化床的設(shè)計有理

論指導意義。

第12頁共15頁

圖12化工反應(yīng)塔

流化床盡管應(yīng)用己相當廣泛，大型的甚至直徑約達10m,藏量達100t以上，其可靠的定量研

究報告還不算多。為了將流態(tài)化技術(shù)切實掌握起來，需要深入研究有關(guān)的流體力學問題，如流化床

測試技術(shù)的研究，特別是局部的實時測量和數(shù)據(jù)的分析處理問題；三維床中氣泡的聚并和穩(wěn)定性，

特別是它與固體粒子的物性、大小和粒度分布的關(guān)系問題；氣泡相與含粒子相間的相互運動和相間

質(zhì)量交換問題；分布孔口射流的結(jié)構(gòu)及其影響區(qū)內(nèi)的傳質(zhì)問題；各內(nèi)部構(gòu)件與床內(nèi)氣、固兩相流動

和傳質(zhì)的定量關(guān)系問題，等等。

（7）燃燒爐

近代化工中的著名大型裝置，如年產(chǎn)3X105t乙烯及年產(chǎn)3X10$t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

LumusSRT（Shortresidencetime）裂解爐（圖13）,就是由多組70m長的變徑爐管構(gòu)成的。管內(nèi)走

裂解原料，存留時間只有0.45?0.6s；管外側(cè)墻兩側(cè)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(chǎn)出率，必須斤斤計較大型裝置的經(jīng)濟性問題，要求在高溫（因受管子

材質(zhì)限制，一般引進裝置的管壁最高可承受溫度在830℃左右）和短暫停留時間內(nèi)（目前己有所謂的

“毫秒”爐）將反應(yīng)進行完畢，這就需要有特殊的燃燒技術(shù)。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(fā)明了各種專利，這些專利在以下方面各有技術(shù)專長：

第13頁共15頁

圖13SRT裂解爐

1）熱強度大，可在很短時間內(nèi)送入大量的熱量；

2）可調(diào)節(jié)熱負荷以適應(yīng)不同性質(zhì)的原料和調(diào)節(jié)全反應(yīng)管的溫度