计算流体力学在化学工程中的应用

舒长青 王友欣(汇智工程科技有限公司 山东 青岛 255000)

计算流体力学是流体力学的一个重要组成部分，其被广泛的应用在化学等相关领域中，以解决化学工程中的流体力学等问题。与化学实验研究相比较，计算流体力学在化学计算中具有投资低、效率高、资料齐全等特点，同时也可以真实的模拟流体力学的流动过程，计算流体力学已成为了研究化工领域中流体流动和传质的重要工具。

一、计算流体力学在化学工程中的基本原理

计算流体力学是通过数值计算方法来求解化工中几何形状空间内的动量、热量、质量方程等流动主控方程，从而发现化工领域中各种流体的流动现象和规律，其主要以化学方程式中的动量守恒定律、能量守恒定律及质量守恒方程为基础。一般情况下，计算流体力学的数值计算方法主要包括数值差分法、数值有限元法及数值有限体积法，其也是一门多门学科交叉的科目，计算流体力学不仅要掌握流体力学的知识，也要掌握计算几何学和数值分析等学科知识，其涉及面广。针对计算流体力学的真实模拟，其主要目的是对流体流动进行预测，以获得流体流动的信息，从而有效控制化工领域中的流体流动。随着信息技术的发展，市场上也出现了计算流体力学软件，其具有对流场进行分析、计算、预测的功能，计算流体力学软件操作简单，界面直观形象，有利于化学工程师对流体进行准确的计算。

二、计算流体力学CFD在化学工程领域中的应用研究

1.CFD在搅拌中的应用分析

由于搅拌槽内的流场的流动具有复杂性，目前对搅拌槽等混合设备的设计和经验成分也采用理论计算的方式，在化工领域中，化工工业规模的反应器存在不均匀性等特点，不均匀性随规模扩大而加重，因此，对搅拌槽内部流场进行研究是非常有必要的。虽然许多化学家对化工领域中的搅拌机槽内的流场进行了分析研究，如Harvey等人采用二维模拟计算搅拌槽内流场的流体，但随着技术的不断改革与发展，计算流体力学的引进，改变了以二维模拟的计算方式，计算流体力学的方法不仅可以节约化工研究成本，采用实验手段不能获得的数据，计算流体力学方法也可以获得。Sun等人利用计算流体力学中的湍流模型计算了搅拌槽内的气液两相流动，并且对其进行了三维模拟，通过实验研究表明，计算流体力学的数值模拟能有效的计算搅拌器上部的气体部分，但是，CFD数值模拟也存在一定的缺陷，不能有效模拟搅拌器底部区域。计算流体力学CFD与多普勒激光测速仪LDV有效结合，可以对搅拌装置能更深入的研究，其主要原因是多普勒激光测速仪测量的数据可以准确验证计算流体力学CFD计算的结果，同时多普勒激光测速仪测定特定点的速度也可以作为计算流体力学计算的参考条件。

2.CFD在化学工程换热器中的应用分析

换热器是化学工程中使用最多的设备，通过计算流体力学的计算方式，不仅可以精确、详细的测量换热设备内流场的流动，也可以预测换热器的性能，经济可靠的换热器对化工工业具有重要作用。对于化工中的管壳式换热设备，其内部的几何形状设备结构复杂，利用计算流体力学模拟管壳式换热设备的壳侧流场，进而充分了解管壳式换热设备的壳侧在瞬间变化中的温度场、速度场，CFD的应用有利于分析研究换热器的基本原理和结构构造。

3.CFD在化学反应工程中的应用研究

针对高温的太阳能化学反应器，温度、压力场和计算速度等数据指标等可以从CFD模拟优化中获取，包括粒子的运动轨迹，但当温度大于1500k和辐射强度超过3000KW/m2的状态时，这些数据是无法获取的。学者采用有限元法的计算机流体力学软件的计算方式，对氧化燃烧化学反应中的催化剂进行模拟，最后，分析实验结果。由于聚乙烯是化学反应中使用最多的聚合物，其化学反应也需要在高温、高压的环境下通过自由基聚合的方式生成，但是聚乙烯的生成需要利用绝热高压釜反应器，学者为了更深入地研究绝热高压釜反应器的内部构造和化学反应原理，对反应器中的旋转浆叶、湍流模型等采用CFD中的FLUENT软件进行三维模型，经过计算，可以得出不同环境下的反应器的流线、反应器内部的浓度梯度及温度梯度。通过CFD软件预测反应器的速度、温度及压力场，可以更进一步理解化学反应工程中的聚合过程，详细、准确的数据可以优化化学反应中的操作参数。

结束语：

计算流体力学在化学工程被得到广泛的应用，大多数化学工程师及专家都纷纷采用计算流体力学CFD研究化学领域中内部流场的流动流体。因此，加强计算流体力学软件的研究，使计算流体力学应用在化学工程中的各个领域。

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