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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
下 载: 2次
引 用: 0次
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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。

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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