流体力学在化工设备安全中的应用

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流体力学在化工设备安全中的应用

摘要：介绍了流体力学与化工设备的关系，化工设备中流体力学的特点，探讨流体力学在化工设备中的应用,根据化学反应中流体流动方式的不同，对化工设备的安全要求不同，以此提高化工设备的安全性能，促进安全生产。

关键词：流体力学 化工设备 安全性能

1 流体力学与化工设备的关系

流体力学是研究流体平衡和宏观运动规律,以及流体与所接触物体之间相互作用的一门学科,化工设备中伴有传热、传质、化学反应等各种物理、化学过程的流体运动规律。

在化学工程发展的初期，流体运动只是化学工程中的一个单元操作,其内容主要是管流,阻力计算,流量测量原理等。随着化工技术的发展,特别是大型、高效、低能耗化工设备的涌现,过程开发的加速,放大倍数的提高,愈益要求阐明化工过程的机理,分析影响设备性能的因素,提高化工设备的安全指数，因而需要了解化工设备中流动的详细情况,这种客观的需求,结合流体力学中边界层理论,湍流理论,多相流理论等成就,研究化工设备中的流动特点以及流动对化工过程的影响。

2 化工设备中流动问题

为了解流体力学在化工设备中起什么作用,有必要了解化工过程中流体运动的特点 化工中的流动问题大致有以下几个特点。

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、液体或固体的物料,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、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、制药等的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， 化学设备的设计在相当大的程度上是流体力学的设计，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状的挡板、分布器或其他内部构件这就使得流动的边界条件很复杂。化学中高温高压，易燃易爆的特点要求化工设备的安全性能必须可靠，才能达到高效、安全、绿色的生产。

化学反应一般在化工设备中进行,而化学反应的存在又使得流动的情况进一步复杂化在没有化学反应时,流体力学中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模型,从而进行数学模拟放大对于流动体系,建立数学模型的第一步是明确流体动力学规律,因为一切热量传递、质量传递以及化学反应都是“载”在流体的身上的。

     化工生产规模大小不等,如制药、炼油，。由于规模相差悬殊,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。

化工生产中促使流体产生运动的方式很多,用流体机械,风机或泵,对流体施加一定的压力,使流体在压力差的推动下运动，根据所产生的压力梯度类型的不同,流体运动的方式也有所不同 ，当压力梯度周期性地变化时,流体运动也将有周期性的变化，通过边界的运动或流体中物体的运动以推动流体,例如搅拌器中浆叶的运动根据边界或物体运动的类型不同,如移动、转动或振动,所产生的流体运动也有不同的规律由于温度或浓度不同,空间各处流体的密度也不同,致使流体中产生自然对流 这时浮力是造成运动的主要原因,控制运动的因素将不同于强制对流的情况实际上常是几种方式联合作用,促使化工设备中的流体产生运动。根据流动的不同，对化工设备的要求也有所不同。

3 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复杂性 ，化工中所遇到的流体常是多相、多组分和多反应的“三多”系统,而且流体流动与传热、传质和化学反应又经常紧密结合在一起为了正确地设计化工中所采用的设备,关键之一就是对其中的流动有充分的认识并能定量计算 但由于流动的复杂性,目前流体力学还不能给出它们通用的计算方法或公式 现在所用的解决方法是在一般流体力学的原理指导下,针对不同类型的设备,通过试验来寻找具体的规律 试验往往只能在小的模型上做,而要将在小模型上得到的规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 但由相似性原理提出的条件一般很难同时满足,这时还要依靠以往的经验或做一些补充的试验及分析以做出取舍由于这些不确定性,所以一个新的化工装置的最后定型,往往要经过模型试验。对单相流问题直接进行计算,对多相流问题则先弄清细观层次的规律,然后在宏观层次上进行计算如能做到这一步,则化工设备的设计就有可能更多地依靠科学,较少地依赖主观经验,其意义是十分重大的这正是流体力学应该发挥作用的地方， 尽管做起来十分困难,但由于其重大的意义,世界各先进国家都正在这个方向上努力。

参考文献

[1] 吴望一.流体力学[M].北京大学出版社，2011.

[2] 列维奇.化学流体动力学[J].上海科学技术出版社,2010.

[3] 江体乾.化工数学模型[J] .中国石化出版社,1999.

  石化院  安全工程  晏姗姗 122085224001