漫談化工中的流體力學(xué)問(wèn)題

本文轉(zhuǎn)自科學(xué)網(wǎng)王振東“以文會(huì)友”博客。曾首刊〈力學(xué)與實(shí)踐》2002年第3期，并收入《詩(shī)

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

目錄

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

2.化工中流動(dòng)問(wèn)題的特點(diǎn)..............................................................................1

3.典型化工設(shè)備中的流體運(yùn)動(dòng)..........................................................................5

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

5.參考文獻(xiàn)..........................................................................................15

1.前言

化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一個(gè)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(guò)程中，會(huì)涉及大量的流體力學(xué)問(wèn)題。

所謂化工過(guò)程，廣義上講是指物質(zhì)經(jīng)受性質(zhì)上變化的過(guò)程，包括物理的和化學(xué)的性質(zhì)的變化。

它與只有物體形狀，和位置變化的一般機(jī)械一物理過(guò)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(guò)程。后來(lái)有些化工部門由于生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展相當(dāng)龐大，己獨(dú)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(guò)程所具有

的共同特點(diǎn)。這些部門與包括酸、堿、鹽的無(wú)機(jī)化工，包括基本有機(jī)原料和高分子化合物的重有機(jī)

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(xué)工程等領(lǐng)域一起，提供了各式各樣的物理■化學(xué)變化過(guò)程的課題，其中大量涉及到流體運(yùn)動(dòng)的問(wèn)

題。

2.化工中流動(dòng)問(wèn)題的特點(diǎn)

為了解流體力學(xué)在化工的發(fā)展中起什么作用，有必要了解化工過(guò)程中流體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)?；ぶ?/p>

的流體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題大致有以下5個(gè)特點(diǎn)：

(1)化工生產(chǎn)時(shí)，物料一般都在流動(dòng)

化工過(guò)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(dòng)中?，F(xiàn)代化工

生產(chǎn)工藝的一個(gè)重要趨勢(shì)，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

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攪拌等方法，使之流體化后，在流動(dòng)的過(guò)程中進(jìn)行反應(yīng)、改性、加工、提煉等，最后再經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)、掌握和應(yīng)用的水平。化學(xué)生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)，在相當(dāng)大的程度

上是流體力學(xué)的設(shè)計(jì)。

圖1某化工廠全景圖

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

這些化工設(shè)備有著各式各樣的進(jìn)、出口，還有各種類型的換熱管，攪拌器，以及改變物料流動(dòng)

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(dòng)的邊界條件很復(fù)雜，

所以除少數(shù)問(wèn)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(guò)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(dá)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(xué)行為常常很不相同，其中對(duì)不少

種類流體，我們還了解得很不夠，

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圖2煉油廠

(4)流動(dòng)同時(shí)伴有熱量與質(zhì)量:的傳遞

化工過(guò)程中流體流動(dòng)的另一個(gè)基本特點(diǎn)是同時(shí)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(jìn)行。又如尾

氣處理時(shí)，往往耍從大量流動(dòng)的氣體中將含量?jī)H十萬(wàn)分之幾的組分回收下來(lái)；而在產(chǎn)品精制時(shí)，則

有時(shí)需要通過(guò)幾百塊塔板上的氣液兩相逆流接觸，才能把沸點(diǎn)相差不到的物質(zhì)分離。因此，流

體流動(dòng)與熱量、質(zhì)量傳遞常是互相依存而不可分開(kāi)的，這也增加了問(wèn)題的復(fù)雜性。

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圖3石油化工廠

(5)流動(dòng)同時(shí)伴有化學(xué)反應(yīng)

化學(xué)反應(yīng)過(guò)程在化工中的重要地位是不言而喻的，而化學(xué)反應(yīng)的存在又使得流動(dòng)情況進(jìn)一步復(fù)

雜化。在沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，流體力學(xué)的相似理論或量綱分析的方法用起來(lái)就己較困難；對(duì)伴有化學(xué)

反應(yīng)的流動(dòng)來(lái)說(shuō)，這些方法往往就行不通了。只有另外想辦法建立有針對(duì)性的數(shù)學(xué)摸型，從而進(jìn)行

數(shù)學(xué)模擬放大。對(duì)于流動(dòng)體系，建立數(shù)學(xué)摸型的第一步是明確流體動(dòng)力學(xué)規(guī)律，因?yàn)橐磺袩崃總?/p>

遞、質(zhì)量傳遞及化學(xué)反應(yīng)都是載在流體的身上的。正是這樣的原因，才使在國(guó)際上的化學(xué)工程文獻(xiàn)

中，涉及流體力學(xué)方面的文章始終占有最多的篇幅。

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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(dá)IX106t（如煉油）。由于相

差懸殊，問(wèn)題往往截然不同。對(duì)于小裝置，問(wèn)題常在化學(xué)和工藝方面；而對(duì)于大型裝置，流體力學(xué)

方面的問(wèn)題則變得十分突出。一個(gè)化工產(chǎn)品，從實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始到大規(guī)模生產(chǎn)，其中要經(jīng)過(guò)小試、中試

等階段。這主要不是因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)不清楚，而是流動(dòng)狀態(tài)不清楚。據(jù)說(shuō)在美國(guó)研制化工產(chǎn)品時(shí)，某

些情況下己能兔去小試、中試等過(guò)程，原因就在于他們對(duì)某些設(shè)備的流體力學(xué)問(wèn)題弄得比較清楚。

3.典型化工設(shè)備中的流體運(yùn)動(dòng)

（1）促使化工設(shè)備中流體運(yùn)動(dòng)發(fā)生的方式

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

1）用流體機(jī)械，風(fēng)機(jī)或泵，對(duì)流體施加一定的壓力，促使流體在壓力差的推動(dòng)下運(yùn)動(dòng)。根據(jù)所

產(chǎn)生的壓力梯度類型的不同，流體運(yùn)動(dòng)的方式也有所不同。當(dāng)壓力梯度周期性變化時(shí)，流體運(yùn)動(dòng)也

將有周期性的變化。2）通過(guò)邊界的運(yùn)動(dòng)或流體中物體的運(yùn)動(dòng)以推動(dòng)流體，例如攪拌落中漿葉的運(yùn)

動(dòng)。根據(jù)邊界或物體運(yùn)動(dòng)的類型不同，如移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，所產(chǎn)生的流體運(yùn)動(dòng)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(duì)流。這討浮力是造成

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運(yùn)動(dòng)的主要原因?？刂七\(yùn)動(dòng)的因素將不同于強(qiáng)制對(duì)流的情況。

實(shí)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(yùn)動(dòng)。

(2)換熱器與管內(nèi)外運(yùn)動(dòng)

流體運(yùn)動(dòng)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(wèn)題都會(huì)遇到。如外掠換熱時(shí)，流體經(jīng)過(guò)單根換熱圓管，這是繞流問(wèn)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(dòng)，都是內(nèi)流問(wèn)題。圖5給出了幾種典型的換熱器，多

數(shù)可同時(shí)產(chǎn)生這兩種流動(dòng)。

(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(jī)溶液、無(wú)機(jī)溶液、懸浮液、泡沫液

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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(fù)雜。所以化工設(shè)備中流體的流

動(dòng)，經(jīng)常不能用外流或內(nèi)流來(lái)概括，更多的是同時(shí)具有內(nèi)外流動(dòng)的問(wèn)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(jìn)熱量和物質(zhì)的傳遞和化學(xué)反應(yīng)。攪拌槽的基木結(jié)

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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(yùn)

動(dòng)。顯然，這是內(nèi)外邊界同時(shí)存在的流動(dòng)問(wèn)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(dòng)

的重要參數(shù)。為了簡(jiǎn)化處理，常需根據(jù)不同的目的，對(duì)眾多的幾何特征進(jìn)行分析后做出取舍。通常

認(rèn)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(jì)攪拌器的最主要目標(biāo)，

這牽涉到流體中各種尺度運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和分布。

(4)塔設(shè)備與氣、液兩相流動(dòng)

林立的高塔是化工廠的主要標(biāo)志之一，這些塔大多數(shù)用來(lái)實(shí)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(dá)40?50m是常見(jiàn)的，氣、液兩相就在塔內(nèi)逆向

流動(dòng)遂行接觸。有的進(jìn)行蒸儲(chǔ)，將互溶的組分根據(jù)其蒸汽壓不同而加以分開(kāi)；有的進(jìn)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(lái)，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(guò)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(guò)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

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有關(guān)。設(shè)計(jì)的指標(biāo)之一是加強(qiáng)氣體流經(jīng)液體時(shí)破碎的程度，及分布的均勻度?？椎闹睆?、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(kāi)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(shí)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(guò)孔洞流上來(lái)，在此過(guò)程中完成傳質(zhì)、傳熱或其他物理、化學(xué)過(guò)程。對(duì)這樣復(fù)雜的流動(dòng)問(wèn)

題，要想徹底弄清，得到一個(gè)普適的公式是極困難的。當(dāng)前可行的辦法是針對(duì)一些典型設(shè)備，進(jìn)行

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

圖8篩板塔

(5)固定床與流體通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)

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(guò)，這種類

型的流動(dòng)常稱為通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)，如圖9a所示。當(dāng)顆粒是催化劑時(shí)，固定床是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)

的反應(yīng)器；當(dāng)顆粒是吸附劑時(shí)，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(guò)濾操作、地下水、石油滲流等也都與固定床有關(guān)。

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。，這

題題。

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圖10焦化廠

(6)流化床與流體和固體的兩相流動(dòng)

流體自下而上通過(guò)堆積的固體顆粒床層，當(dāng)流體在床層縫隙中穿行的實(shí)際速度小于顆粒的沉降

速度時(shí)，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(shí)，床層的上界面猶如液體沸騰時(shí)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。

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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(dāng)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(guò)程。流化床設(shè)備的外形（如長(zhǎng)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(duì)氣泡行為和氣固接觸狀況

均有重大的影響。適當(dāng)?shù)臍馀菽芴岣吡骰驳男?，而氣泡若太大了，操作乂會(huì)不穩(wěn)定。近年來(lái)，

流體力學(xué)工作者己經(jīng)在流化床的穩(wěn)定性問(wèn)題上提出了一些很有用的理論模型，對(duì)流化床的設(shè)計(jì)有理

論指導(dǎo)意義。

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圖12化工反應(yīng)塔

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

究報(bào)告還不算多。為了將流態(tài)化技術(shù)切實(shí)掌握起來(lái)，需要深入研究有關(guān)的流體力學(xué)問(wèn)題，如流化床

測(cè)試技術(shù)的研究，特別是局部的實(shí)時(shí)測(cè)量和數(shù)據(jù)的分析處理問(wèn)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(wèn)題；氣泡相與含粒子相間的相互運(yùn)動(dòng)和相間

質(zhì)量交換問(wèn)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(wèn)題；各內(nèi)部構(gòu)件與床內(nèi)氣、固兩相流動(dòng)

和傳質(zhì)的定量關(guān)系問(wèn)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(guò)程

都是在外燒氣體或液體燃料的管式爐中進(jìn)行的。以乙烯裝置為例，我國(guó)20世紀(jì)80年代初引進(jìn)的

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

裂解原料，存留時(shí)間只有0.45?0.6s；管外側(cè)墻兩側(cè)配置有112個(gè)無(wú)焰噴嘴，底部亦有16個(gè)燒油

的噴嘴。為了獲得高的乙烯產(chǎn)出率，必須斤斤計(jì)較大型裝置的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，要求在高溫（因受管子

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

“毫秒”爐）將反應(yīng)進(jìn)行完畢，這就需要有特殊的燃燒技術(shù)。國(guó)外一些公司都曾在這方面投入大量

人力物力，長(zhǎng)期進(jìn)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(zhǎng)：

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圖13SRT裂解爐

1）熱強(qiáng)度大，可在很短時(shí)間內(nèi)送入大量的熱量；

2）可調(diào)節(jié)熱負(fù)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