为什么气体总在上、液体总在下？8个案例带你真正理解化工管道中的流动规律

在化工装置的设计、运行以及设备维护过程中能够正确想象物料在管道中的流动状态是机械工程师、工艺工程师以及设备管理人员都必须具备的一项基础能力。虽然流体力学包含大量公式和计算但是对于现场工程而言更重要的是建立正确的物理直觉。只要真正理解“气体向上、液体向下”这一最基本的规律那么很多看似复杂的设备结构、管道布置以及现场故障其实都能够通过简单的物理现象得到解释。因此本文并不讨论复杂的两相流计算而是结合化工厂最常见的八种典型场景通过连续的实例帮助大家建立管道内部物流运动的直观认识让以后看到任何一条管道时都能够在脑海中想象出其中真正发生着什么。① 气体向上液体向下理解所有管道流动现象之前首先必须牢牢记住一句最重要的话。气体会上升液体会下沉。这是因为在常温常压条件下气体的密度远远小于液体所以当气液同时存在时它们一定会因为重力作用而自然分层。无论是空气、氮气、蒸汽还是水、有机溶剂、酸碱液其基本规律都不会发生改变。例如在一根水平管道内如果气体和液体同时流动那么液体会自然占据管道底部而气体则会沿着管道上部流动。严格来说两相流根据流速、流量以及气液比不同还会形成层状流、环状流、弹状流等多种流型但是对于绝大多数现场工程师来说只要首先建立“气在上、液在下”的概念就已经能够解释绝大多数现场现象。② 液体一定会形成积液既然液体总会向下运动那么在管道最低点自然就会形成积液。最典型的结构就是U形封U Seal。U形管最低的位置能够长期储存液体因此可以利用这部分液体形成液封从而阻止工艺气体直接泄漏到大气中因此这种结构在化工装置中十分常见。不过这并不意味着里面始终保持安全。由于工艺气体会不断溶解到液封水中而随着时间推移当液体逐渐达到饱和以后一部分有机溶剂或者其他工艺介质便可能漂浮在水面因此液封水通常需要定期更换甚至连续补充。也就是说真正需要管理的不只是有没有液封而是液封是否仍然保持设计时的工作状态。③ 氮气吹扫为什么吹不干净在化工厂停车、清洗或者切换工艺时经常会使用氮气对管道进行吹扫希望将残留液体全部推出去。然而很多人都会误认为只要持续充入氮气里面所有液体最终都会被完全吹出。事实上并非如此。由于气体仍然遵循“向上流动”的规律因此当氮气在管道上部形成流道以后它便会优先沿着阻力最小的上部继续流动而底部残留液体却依然停留在那里。因此现场经常会采用一种简单而有效的方法。首先停止吹扫让液体重新汇集到最低位置然后再次充入氮气继续吹扫这样反复进行两三次可以明显减少残液量。但是即使重复多次也几乎不可能真正做到完全没有残液因为三通、水平管段以及各种低点都会继续保留少量液体。因此对于工程设计而言与其追求绝对吹净不如尽可能减少容易形成积液的位置。④ 为什么有时候反而故意让液体积起来积液通常是不希望出现的但是在某些设备中却恰恰需要人为制造积液。其中最典型的例子就是流量计。很多液体流量计只有在内部完全充满液体时才能保证测量精度如果其中混入大量空气那么测量结果就会产生较大误差。因此在实际工程中经常会通过设置U形管或者其他低点结构使流量计内部始终保持满液状态然后再利用调节阀进行流量控制。也就是说同样是积液在某些情况下属于设计缺陷而在另外一些情况下却是保证测量精度的重要设计手段。⑤ 水和油为什么能够自动分离理解了气液分层之后再进一步理解液液分层就会变得十分容易。由于油的密度通常小于水因此当水和油混合流入具有停留空间的设备以后随着流速降低两种液体便会依靠密度差自然完成分层。较重的水逐渐沉到底部而较轻的油则浮到液面上。随后只需要分别在顶部和底部设置出口就能够连续排出两种不同液体。因此无论是油水分离器还是各种重力分离槽本质上都只是利用了密度差这一最简单的自然规律而不是依靠复杂的机械装置。⑥ 如何实现气液分离气液分离实际上也是同样的原理。因为气体总会聚集在上方而液体总会流向下方所以只要在水平主管上分别设置顶部出口和底部出口便能够实现较好的气液分离效果。这一思想广泛应用于化工生产。例如去除气体中的液滴、蒸汽中的冷凝水、压缩空气中的水分以及各种汽液混合物流的分离都可以看到类似结构。此外当改变流体流向使液滴撞击管壁而失去动能之后也能够进一步提高分离效率。因此现场经常提到的“上取口”和“下取口”实际上都是建立在同一个物理基础之上。⑦ 蒸汽冷凝究竟是怎样发生的很多人在学习换热计算时只关注换热面积却很少真正思考蒸汽在管道内部到底经历了怎样的变化。事实上当蒸汽进入换热器以后并不会瞬间全部变成液体。由于管壁温度较低因此最先发生冷凝的位置始终是靠近管壁的一层蒸汽。随后一层越来越厚的冷凝液膜逐渐形成而中心区域仍然保持蒸汽状态。随着流动不断进行蒸汽和冷凝水开始同时沿着管道流动形成典型的气液两相流。虽然在普通化工设计中很少详细计算这一过程但是如果能够在脑海中形成这样的动态图像那么对于理解蒸汽系统、冷凝器以及换热器都会有很大的帮助。⑧ 水泵启动为什么容易出现问题离心泵启动之前一般要求泵体内部已经充满液体。如果泵内残留大量空气那么叶轮旋转以后便无法形成足够的吸入能力这就是所谓的失去引水失去灌泵。尤其是在吸上式安装中由于液体本身会流回低处因此停机以后泵体内部往往重新变为空气。为了避免这一问题自吸泵应运而生。自吸泵内部专门设计了储液空间使泵停止运行以后仍然能够保留一部分液体因此再次启动时可以依靠这些液体重新建立吸入能力。从结构上看似十分复杂但其本质仍然只是巧妙利用了液体能够停留在低处这一最基本的物理规律。