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适用于含能化合物的反应器设计策略及其应用研究
作 者: 张本贺
导 师: 何潮洪
学 校: 浙江大学
专 业: 化学工程
关键词: 反应器设计 搅拌反应釜 管式反应器 搅拌桨 盘管 数值模拟 本质安全
分类号: TQ560.5
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
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内容摘要
含能化合物合成过程中常常涉及强放热反应过程,反应放热量大,且放热迅速。如果反应器内热量不能及时移出,会导致反应热的积蓄,不仅会产生大量副产物,甚至会引发反应失控,发生安全问题。为了保证含能化合物制备过程的安全,在反应原料和工艺条件确定之后,反应器的安全设计十分关键。本文对适用于含能化合物合成过程的釜式和管式反应器的设计过程、策略进行了研究,以期达到降低安全隐患,保障生产安全的目标。主要工作内容如下:(1)对八种不同搅拌桨的冷模实验进行研究,比较了不同桨型及安装组合形式下的搅拌效果。结合流体力学软件FLUENT模拟,对四斜叶桨(PBTD45)的径向及轴向影响范围进行了研究,模拟结果与冷模实验结果相符,验证了模拟过程的可靠性,为搅拌桨的放大设计提供了重要依据。(2)将化工过程本质安全设计中的强化、最小化、提高可靠性、限制影响原则应用到硝化反应釜设计中,以期达到降低反应热危险、降低危险发生概率、提高反应釜本质安全特性的目标。通过参考常规设计手册并结合硝化反应的特殊性及工程经验,提出了硝化反应釜设计的优化流程。重点介绍了搅拌系统和冷却系统的设计,结合流体力学软件FLUENT模拟结果,优化了搅拌桨的形式,强化了釜内流体流动,给出了选择搅拌桨桨径的方法,提出了与常规设计经验相比更加细化的设计参数。根据研究结果,设计了适用于某含能化合物10kg级中试过程的硝化反应釜,该硝化反应釜运行效果良好。(3)对某含能化合物10kg级中试过程中的其他反应釜(水解釜、混合釜)进行了设计,中试过程中均运行良好。(4)利用COMSOL Multiphysics软件建立了螺旋管式反应器反应过程的模拟算法,且模拟结果与小试、1kg级和10kg级中试放大实验结果大致相符,验证了模拟过程的可靠性。根据管式反应器模拟结果,设计了某含能化合物10kg级中试过程管式反应器。最后,结合模拟结果及放大经验,对50kg工业级管式反应器的设计放大提出了指导性建议。
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全文目录
致谢 5-6 摘要 6-7 Abstract 7-9 目录 9-13 缩写、符号清单表 13-15 1 文献综述 15-34 1.1 前言 15-16 1.2 化工过程的本质安全设计进展 16-19 1.2.1 化工过程总体的本质安全设计 16-17 1.2.2 化工装置的本质安全设计进展 17-19 1.3 强放热釜式反应器设计 19-23 1.3.1 搅拌釜结构 19-20 1.3.2 搅拌器 20-22 1.3.3 搅拌釜内传热部件 22-23 1.4 搅拌釜内流场的数值模拟 23-29 1.4.1 CFD简介 24-27 1.4.2 搅拌釜内转动的模拟方法 27-28 1.4.3 搅拌釜内流场模拟研究现状 28-29 1.5 管式反应器研究现状 29-32 1.5.1 管式反应器简介及应用 29-30 1.5.2 管式反应器的设计、放大、模拟 30-32 1.5.3 管式反应器的COMSOL数值模拟现状 32 1.6 本文研究思路及内容 32-34 2 搅拌釜内搅拌实验及模拟 34-52 2.1 搅拌釜内搅拌实验 34-46 2.1.1 实验器材和实验基本条件 34 2.1.2 单层搅拌桨实验 34-42 2.1.3 双层搅拌桨实验 42-46 2.2 搅拌釜内流场的CFD模拟 46-51 2.2.1 几何模型 47 2.2.2 网格划分 47 2.2.3 流体力学模型、参数及边界条件 47-48 2.2.4 模拟结果与讨论 48-51 2.3 本章小结 51-52 3 基于本质安全的硝化反应釜设计及应用 52-71 3.1 前言 52 3.2 硝化反应釜的本质安全设计策略 52-53 3.3 硝化反应釜设计流程 53-54 3.4 搅拌系统的设计 54-59 3.4.1 搅拌桨的桨型选择与尺寸确定 54-58 3.4.2 搅拌桨的组合形式 58-59 3.5 冷却系统的设计 59-62 3.5.1 盘管的内径选择 59-61 3.5.2 盘管的管间隙设计 61-62 3.6 紧急排放系统设计 62 3.7 其他零部件的设计 62-63 3.8 10kg级中试过程硝化反应釜设计 63-70 3.8.1 设计要求 63 3.8.2 设计说明 63-68 3.8.3 主要技术指标及设计结果 68-69 3.8.4 装配图 69-70 3.8.5 实际应用情况 70 3.9 本章小结 70-71 4 某含能化合物10kg级中试过程中的其他反应釜设计 71-87 4.1 前言 71 4.2 水解反应釜设计 71-79 4.2.1 设计要求 71 4.2.2 设计说明 71-76 4.2.3 主要技术指标及设计结果 76-78 4.2.4 装配图 78-79 4.2.5 实际应用情况 79 4.3 混合釜设计 79-86 4.3.1 设计要求 79 4.3.2 设计说明 79-83 4.3.3 主要技术指标及设计结果 83-85 4.3.4 装配图 85-86 4.3.5 实际应用情况 86 4.4 本章小结 86-87 5 某管式反应中试过程的模拟、设计和优化 87-112 5.1 前言 87 5.2 某管式反应中试过程的介绍 87-91 5.2.1 管式反应特点和小试工艺 87-88 5.2.2 反应动力学及反应热 88-89 5.2.3 反应阶段基本物性参数 89-90 5.2.4 反应过程的数学模型 90-91 5.3 10kg级中试过程的管式反应器设计 91-97 5.3.1 螺旋管与直管式反应器的选择 92-96 5.3.2 管式反应器管径的确定 96 5.3.3 管式反应器管长的设计 96-97 5.3.4 管式反应器的应用情况 97 5.4 管式反应过程的COMSOL模拟 97-111 5.4.1 螺旋管式反应器反应过程模型 97-98 5.4.2 小试过程模拟验证 98-102 5.4.3 1kg级中试过程的模拟验证 102-106 5.4.4 10kg级反应过程的模拟验证 106-110 5.4.5 小试、1kg级和10kg中试实验与模拟结果对比 110-111 5.5 本章小结 111-112 6 某管式反应工业生产过程的模拟与设计 112-131 6.1 20mm管径 112-116 6.2 30mm管径 116-120 6.3 40mm管径 120-125 6.4 50mm管径 125-130 6.5 本章小结 130-131 7 结论与展望 131-133 7.1 结论 131-132 7.2 展望 132-133 参考文献 133-138 作者简历 138 科研成果 138
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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 爆炸物工业、火柴工业 > 一般性的问题。 > 机械与设备
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