計算流體力學在化學工程中的應用

舒長青 王友欣(匯智工程科技有限公司 山東 青島 255000)

計算流體力學是流體力學的一個重要組成部分，其被廣泛的應用在化學等相關領域中，以解決化學工程中的流體力學等問題。與化學實驗研究相比較，計算流體力學在化學計算中具有投資低、效率高、資料齊全等特點，同時也可以真實的模擬流體力學的流動過程，計算流體力學已成為了研究化工領域中流體流動和傳質的重要工具。

一、計算流體力學在化學工程中的基本原理

計算流體力學是通過數值計算方法來求解化工中幾何形狀空間內的動量、熱量、質量方程等流動主控方程，從而發(fā)現化工領域中各種流體的流動現象和規(guī)律，其主要以化學方程式中的動量守恒定律、能量守恒定律及質量守恒方程為基礎。一般情況下，計算流體力學的數值計算方法主要包括數值差分法、數值有限元法及數值有限體積法，其也是一門多門學科交叉的科目，計算流體力學不僅要掌握流體力學的知識，也要掌握計算幾何學和數值分析等學科知識，其涉及面廣。針對計算流體力學的真實模擬，其主要目的是對流體流動進行預測，以獲得流體流動的信息，從而有效控制化工領域中的流體流動。隨著信息技術的發(fā)展，市場上也出現了計算流體力學軟件，其具有對流場進行分析、計算、預測的功能，計算流體力學軟件操作簡單，界面直觀形象，有利于化學工程師對流體進行準確的計算。

二、計算流體力學CFD在化學工程領域中的應用研究

1.CFD在攪拌中的應用分析

由于攪拌槽內的流場的流動具有復雜性，目前對攪拌槽等混合設備的設計和經驗成分也采用理論計算的方式，在化工領域中，化工工業(yè)規(guī)模的反應器存在不均勻性等特點，不均勻性隨規(guī)模擴大而加重，因此，對攪拌槽內部流場進行研究是非常有必要的。雖然許多化學家對化工領域中的攪拌機槽內的流場進行了分析研究，如Harvey等人采用二維模擬計算攪拌槽內流場的流體，但隨著技術的不斷改革與發(fā)展，計算流體力學的引進，改變了以二維模擬的計算方式，計算流體力學的方法不僅可以節(jié)約化工研究成本，采用實驗手段不能獲得的數據，計算流體力學方法也可以獲得。Sun等人利用計算流體力學中的湍流模型計算了攪拌槽內的氣液兩相流動，并且對其進行了三維模擬，通過實驗研究表明，計算流體力學的數值模擬能有效的計算攪拌器上部的氣體部分，但是，CFD數值模擬也存在一定的缺陷，不能有效模擬攪拌器底部區(qū)域。計算流體力學CFD與多普勒激光測速儀LDV有效結合，可以對攪拌裝置能更深入的研究，其主要原因是多普勒激光測速儀測量的數據可以準確驗證計算流體力學CFD計算的結果，同時多普勒激光測速儀測定特定點的速度也可以作為計算流體力學計算的參考條件。

2.CFD在化學工程換熱器中的應用分析

換熱器是化學工程中使用最多的設備，通過計算流體力學的計算方式，不僅可以精確、詳細的測量換熱設備內流場的流動，也可以預測換熱器的性能，經濟可靠的換熱器對化工工業(yè)具有重要作用。對于化工中的管殼式換熱設備，其內部的幾何形狀設備結構復雜，利用計算流體力學模擬管殼式換熱設備的殼側流場，進而充分了解管殼式換熱設備的殼側在瞬間變化中的溫度場、速度場，CFD的應用有利于分析研究換熱器的基本原理和結構構造。

3.CFD在化學反應工程中的應用研究

針對高溫的太陽能化學反應器，溫度、壓力場和計算速度等數據指標等可以從CFD模擬優(yōu)化中獲取，包括粒子的運動軌跡，但當溫度大于1500k和輻射強度超過3000KW/m2的狀態(tài)時，這些數據是無法獲取的。學者采用有限元法的計算機流體力學軟件的計算方式，對氧化燃燒化學反應中的催化劑進行模擬，最后，分析實驗結果。由于聚乙烯是化學反應中使用最多的聚合物，其化學反應也需要在高溫、高壓的環(huán)境下通過自由基聚合的方式生成，但是聚乙烯的生成需要利用絕熱高壓釜反應器，學者為了更深入地研究絕熱高壓釜反應器的內部構造和化學反應原理，對反應器中的旋轉漿葉、湍流模型等采用CFD中的FLUENT軟件進行三維模型，經過計算，可以得出不同環(huán)境下的反應器的流線、反應器內部的濃度梯度及溫度梯度。通過CFD軟件預測反應器的速度、溫度及壓力場，可以更進一步理解化學反應工程中的聚合過程，詳細、準確的數據可以優(yōu)化化學反應中的操作參數。

結束語：

計算流體力學在化學工程被得到廣泛的應用，大多數化學工程師及專家都紛紛采用計算流體力學CFD研究化學領域中內部流場的流動流體。因此，加強計算流體力學軟件的研究，使計算流體力學應用在化學工程中的各個領域。

[1]于艷,樊耀波,徐國良,王琦,楊文靜.計算流體力學在膜技術及膜生物反應器研究中的應用[J].膜科學與技術,2011,01:105-112.

[2]劉國鈺.計算流體力學在優(yōu)化清水池水力中的應用[J].產業(yè)與科技論壇,2012,20:68-69.

[3]于艷,樊耀波,徐國良,王琦,楊文靜.計算流體力學在膜技術及膜生物反應器研究中的應用[A].中國膜工業(yè)協會、同濟大學環(huán)境科學與工程學院、中國城鎮(zhèn)供水排水協會、上海市政工程設計研究總院、哈爾濱工業(yè)大學.2010年膜法市政水處理技術研討會論文集[C].中國膜工業(yè)協會、同濟大學環(huán)境科學與工程學院、中國城鎮(zhèn)供水排水協會、上海市政工程設計研究總院、哈爾濱工業(yè)大學:,2010:9.

[4]陳鵬.計算流體力學模擬技術在生物化工反應器中的應用研究[D].華東理工大學,2013.