「知识」化工中的流体力学问题

作者:亚搏体育官网入口发布时间:2022-07-29 22:53

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所谓化工历程,广义上讲是指物质经受性质上变化的历程,包罗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历程差别。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,都属于化工历程。厥后有些化工部门由于生产规模生长相当庞大,己独立形成了各自的生产部门,如玄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。现在虽然它们已划分叫做冶金工业、硅酸盐工业、或原子能工业等,但仍保持着化工历程所具有的配合特点。

这些部门与包罗酸、碱、盐的无机化工,包罗基本有机原料和高分子化合物的重有机化工,以及包罗造纸、制糖、发酵、染料、涂料、制药等的轻化工,另有近代的情况工程、和生物医学工程等领域一起,提供了林林总总的物理-化学变化历程的课题,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相识流体力学在化工的生长中起什么作用,有须要相识化工历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历程大部门是一连操作的,岂论是气体、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质料,接纳破坏、浸提、溶解、熔化、加某种流体搅拌等方法,使之流体化后,在流动的历程中举行反映、改性、加工、提炼等,最后再经由冷却、干燥、浓缩、蒸发、挤入模具等,形成固体形态的产物。

如冶金、造纸、化纤、塑料、橡胶、化肥、感光质料、制糖、制药等,工艺历程都如此。所以这些部门的生产效率和产物质量,就在很大水平上依赖于人们对流体运动纪律的认识、掌握和应用的水平。化学生产工艺的设计,在相当大的水平上是流体力学的设计。2. 种种化工历程所使用的设备结构形式既多样又庞大这些化工设备有着林林总总的进、出口,另有种种类型的换热管,搅拌器,以及改变物料流动偏向和混淆状态用的种种形式的档板、漫衍器或其他内部构件。

这就使得流动的界限条件很庞大,所以除少数问题外,求剖析解一般是不行能的。3. 流体物料的种类十分广泛种种化工历程所处置惩罚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,到林林总总的非牛顿流体;从单相流体,到种种多相的流体体系,如气-液,液-液,气-固及气-液-固多相流体等。

差别种类流体的力学行为经常很不相同,其中对不少种类流体,我们还相识得很不够。4. 流动同时伴有热量与质量的通报化工历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通报。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的高温燃烧炉中举行。又如尾气处置惩罚时,往往要从大量流动的气体中将含量仅十万分之几的组分接纳下来;而在产物精制时,则有时需要通过几百块塔板上的气液两相逆流接触,才气把沸点相差不到1ºC的物质分散开来。

因此,流体流动与热、质通报常是相互依存而不行离开的,这也增加了问题的庞大性。5. 流动同时伴有化学反映化学反映历程在化工中的重要职位是不言而喻的,而化学反映的存在又使得流动情况进一步庞大化。在没有化学反映时,流体力学的相似理论或量纲分析的方法用起来就已较难题;对伴有化学反映的流动来说,这些方法往往就行不通了。

只有另外想措施建设有针对性的数学摸型,从而举行数学摸拟放大。对于流动体系,建设数学摸型的第一步是明确流体动力学纪律,因为一切热量通报、质量通报及化学反映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。

化工生产规模巨细不等,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,问题往往截然差别。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。

一个化工产物,从实验室开始到大规模生产,其中要经由小试、中试等阶段。这主要不是因为化学反映不清楚,而是流动状态不清楚。听说在美国研制化工产物时,某些情况下已能免去小试、中试等历程,原因就在于他们对某些设备的流体力学问题弄得比力清楚。

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发生运动的方式许多,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。凭据所发生的压力梯度类型的差别,流体运动的方式也有所差别。当压力梯度周期性变化时,流体运动也将有周期性的变化。

通过界限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。凭据界限或物体运动的类型差别,如移动、转动或振动,所发生的流体运动也有差别的纪律。由于温度或浓度差别,空间各处流体的密度也差别,致使流体中发生自然对流。

这时浮力是造成运动的主要原因。控制运动的因素将差别于强制对流的情况。实际上常是几种方式团结作用,促使化工设备中的流体发生运动。

2. 换热器与管内外运动流体运动按其界限条件可分为绕流(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市遇到。

如外掠换热时,流体经由单根换热圆管,这是绕流问题;流体在种种输送管道或套管、蛇管、列管等种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,多数可同时发生这两种流动。换热器化工设备中的流体,并不只是水和空气,还涉及到种种有机溶液、无机溶液、悬浮液、泡沫液等。所用设备如分散设备、混淆器、反映器等种类繁多,几何形状庞大。

所以化工设备中流体的流动,经常不能用外流或内流来归纳综合,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,常用搅拌使物料混淆,以促进热量和物质的通报和化学反映。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,这是内外界限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。为了简化处置惩罚,常需凭据差别的目的,对众多的几何特征举行分析后做出取舍。

通常认为,最重要的参数是叶轮直径d 和搅拌直径D 之比。提高混淆效率是设计搅拌器的最主要目的,这牵涉到流体中种种尺度运动的强度和漫衍。

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、传热和反映,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举行接触。有的举行蒸馏,将互溶的组分凭据其蒸汽压差别而加以离开;有的举行吸收,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接纳下来,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。塔效率的崎岖与气体、液体的接触面巨细有关,而这又与流体中气泡的破碎及漫衍有关。

设计的指标之一是增强气体流经液体时破碎的水平,及漫衍的匀称度。孔的直径、孔之间的距离,以及表现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,在此历程中完成传质、传热或其他物理、化学历程。对这样庞大的流动问题,要想彻底弄清,获得一个普适的公式是极难题的。当前可行的措施是针对一些典型设备,举行深入的机理研究,并配合须要的实验和履历,找到相应的纪律。5. 牢固床与流体通过多孔介质的流动由大量固体颗粒聚集而成的静止的颗粒层,称为牢固床。

流体从颗粒间的清闲中通过,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,牢固床是举行化学反映的反映器;当颗粒是吸附剂时,它是干燥器或分散器,可除去气体中的湿份(如水)或分散混淆物;此外,过滤操作、地下水、石油渗流等也都与牢固床有关。牢固床中的流动示意图由于颗粒层内的清闲通道弯曲多变,流动情况相当庞大,并不是单纯的内部或外部问题。

在工程上用简化方法来处置惩罚,提出了两种基本模型:管流模型:将清闲串联起来,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:将颗粒各自伶仃,流体绕过颗粒,简化成外部问题处置惩罚(见牢固床中的流动示意图)。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。

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牢固床与自然界的一般渗透差别之处,在于它们一般是在外加专门力场下举行的。6. 流化床与流体和固体的两相流动流体自下而上通过聚集的固体颗粒床层,当流体在床层漏洞中穿行的实际速度小于颗粒的沉降速度时,床层静止,即为前述的牢固床。随着流体流速的增大,床层膨胀,直至颗粒悬浮,疏散于流体之中。

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,床层比力均一、平稳;而在气-固系统中情况则差别,除部门气体匀称疏散外,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、反映、焙烧、吸附等化工历程。

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(气体漫衍板、换热器、档板等)的几何特征以及颗粒粒度漫衍,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,流体力学事情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。流化床只管应用已相当广泛,大型的甚至直径约达10米,藏量达100吨以上,其可靠的定量研究陈诉还不算多。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,特别是局部的实时丈量和数据的分析处置惩罚问题;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、巨细和粒度漫衍的关系问题;气泡相与含粒子相间的相互运动和相间质量交流问题;漫衍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,其化工历程都是在外烧气体或液体燃料的管式炉中举行的。以乙烯装置为例,我国20世纪80年月初引进的Lumus SRT (Short residence time) 裂解炉,就是由多组70米长的变径炉管组成的。

管内走裂解原料,存留时间只有0.45~0.6s;管外侧墙两侧设置有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,必须琐屑较量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蒙受温度在830ºC左右)和短暂停留时间内(现在已有所谓的“毫秒”炉)将反映举行完毕,这就需要有特殊的燃烧技术。外洋一些公司都曾在这方面投入大量人力物力,恒久举行研究,发现了种种专利,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;可调治热负荷以适应差别性质的原料和调治全反映管的温度漫衍;提高热效率,淘汰消耗定额;结构紧凑,操作、维修利便。

STR裂解炉要切实掌握和生长这方面的技术,需要举行炉中的流场显示和分析,并要研究喷嘴结构和燃烧效率,以及建设整个炉的设计盘算模型。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庞大往。

化工中所遇到的流体常是多相、多组分和多反映的“三多”系统。而且流体流动与传质、传热和化学反映又经常精密联合在一起。为了正确地设计化工中所接纳的设备,关键之一就是对其中的流动有充实的认识并能定量盘算。

但由于流动的庞大性,现在流体力学还不能给出它们通用的盘算方法或公式。现在所用的解决方法,是在一般流体力学的原理指导下,针对差别类型的设备,通过试验来寻找详细的纪律。试验往往只能在小的模型上做,还要将在小模型上获得的纪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履历或做一些增补的试验及分析以做出取舍。由于这些不确定性,往往要经由模型试验→小试(小规模装置的试验)→中试等中间历程,而这样显然是很不经济的。随着测试手段和盘算手段的革新,己经逐渐有可能对单相流问题直接举行盘算,对多相流问题则先弄清细观条理纪律,然后在宏观条理上举行盘算。

如能做到这一步,则化工历程的设计就有可能更多地依靠科学,较少地依赖主观履历,其意义是十分重大的。只管做起来十分难题,但由于其重大的意义,世界各先进国家都正在这个偏向上努力。


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