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流体力学在化工中的体现

发布时间:2020-08-04

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作者:山东华铄

    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,大致有五个特点。

    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、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。

    3、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。

    4、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。

    5、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-100?C的搅拌釜中生产的,而天然的裂解制乙炔则在800?C~1500?C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1?C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。

    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。