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搅拌釜内对流传热过程的强化及应用研究

作　者: 毕纪葛
导　师: 何潮洪
学　校: 浙江大学
专　业: 化学工程
关键词: 搅拌釜对流传热数值模拟盘管搅拌桨
分类号: TQ560.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 23次
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内容摘要

含能化合物是生产制造混合炸药、发射药、固体推进剂的基本材料,在国防建设中有重要的地位。在含能化合物的制备过程中常常伴有强放热反应,反应放热量大且放热迅速。如果反应热不能及时移出,会导致反应热积蓄,局部温度过高而引发安全问题。为了解决某工业级规模含能材料合成过程中反应釜内的传热问题,本文对搅拌釜内的对流传热过程的强化进行了研究。首先对带盘管的搅拌釜进行了多组传热实验,测定了不同搅拌桨组合下盘管外侧的对流传热系数,然后对带盘管搅拌釜内的传热过程进行了CFD模拟和实验验证。最后对某含能材料合成中的工业级反应釜进行设计,并对硝化反应釜进行了模拟优化。论文主要内容如下：1.对八种不同搅拌桨组合下的搅拌釜内对流传热过程进行了实验研究,测定了每种搅拌桨组合在不同转速下盘管外侧的对流传热系数,为强放热反应釜设计过程中搅拌桨组合方式的选择提供了参考。2.通过计算流体力学软件FLUENT对带盘管搅拌釜内的非稳态换热过程进行了数值模拟,得到了搅拌釜内流场、温度场和盘管内外两侧平均对流传热系数。为了使模拟的传热过程更接近于真实传热,本文对盘管内外两侧的对流传热和盘管自身导热过程同时进行了模拟计算,采用对盘管分段划分网格的方法解决了弯曲盘管内外两侧边界层网格划分的难题。通过数值模拟方法获得的盘管外侧对流传热系数与实验测得值基本相符,盘管内侧模拟对流传热系数值与经验公式计算值吻合较好,对工程应用有较好的实用价值。3.对某含能材料合成中的工业级硝化反应釜进行了设计和模拟优化,针对模拟发现的问题对硝化釜进行改进,降低了硝化反应釜的高径比和底层搅拌桨的安装位置,把底层搅拌桨换成桨径较小的四斜叶搅拌桨,改进后的硝化釜搅拌效果良好,并使单位体积能耗较大幅度降低。4.对某含能化合物制备过程中的工业级水解釜、缩合釜、混合釜、中和釜和热解釜反应器进行了设计。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-8
目录  8-12
缩写、符号清单表  12-14
1 文献综述  14-27
  1.1 前言  14
  1.2 对流传热  14-15
  1.3 含能化合物釜式反应器设计  15-21
    1.3.1 含能化合物搅拌反应釜结构  16-17
    1.3.2 搅拌器  17-18
    1.3.3 搅拌釜内传热计算  18-21
  1.4 搅拌釜内流场和温度场的数值模拟  21-25
    1.4.1 计算流体力学在搅拌设备中的应用发展  21-22
    1.4.2 计算流体力学湍流模型和壁面函数  22-25
    1.4.3 搅拌釜内流场和温度场的数值模拟现状  25
  1.5 本文研究意义及内容  25-27
2 不同搅拌桨组合下盘管外侧对流传热系数的实验测定  27-39
  2.1 前言  27
  2.2 实验与方法  27-30
    2.2.1 实验装置  27-28
    2.2.2 实验方法  28-29
    2.2.3 实验原理  29-30
  2.3 实验结果与讨论  30-38
    2.3.1 实验数据处理  30-34
    2.3.2 实验结果比较分析  34-38
  2.4 本章小结  38-39
3 带盘管搅拌釜内流场和温度场模拟  39-53
  3.1 前言  39
  3.2 流体力学模型和边界条件  39-40
  3.3 模拟方法  40-41
  3.4 模拟体系物性和操作参数  41
  3.5 单层搅拌桨搅拌下釜内对流传热过程的数值模拟  41-47
    3.5.1 搅拌釜结构  41-42
    3.5.2 网格划分  42
    3.5.3 单桨搅拌传热实验测定  42-44
    3.5.4 单桨搅拌釜模拟结果与讨论  44-47
  3.6 双层搅拌桨搅拌下釜内对流传热过程的数值模拟  47-52
    3.6.1 搅拌釜结构  47-48
    3.6.2 网格划分  48
    3.6.3 双桨搅拌釜模拟结果与讨论  48-52
  3.7 本章小结  52-53
4 某含能化合物制备中硝化反应釜的设计及模拟优化  53-65
  4.1 前言  53
  4.2 反应釜设计要求  53-54
  4.3 硝化反应釜设计  54-57
    4.3.1 硝化反应釜设计说明  54-55
    4.3.2 硝化反应釜传热计算  55-57
  4.4 硝化反应釜的模拟  57-60
    4.4.1 模拟反应釜的几何结构  57-58
    4.4.2 模拟体系物性和操作参数  58
    4.4.3 模拟结果与讨论  58-60
  4.5 改进硝化釜的模拟  60-62
    4.5.1 流场和温度场模拟  60-61
    4.5.2 改进硝化釜搅拌功率和功率准数的计算  61-62
  4.6 硝化反应釜主要技术指标及设计结果  62-63
  4.7 硝化反应釜设计图  63-64
  4.8 本章小结  64-65
5 某含能化合物水解釜、缩合釜、混合釜、中和釜和热解釜的设计  65-79
  5.1 前言  65
  5.2 800L水解反应釜设计  65-71
    5.2.1 水解反应釜设计说明  65-67
    5.2.2 搅拌桨  67
    5.2.3 反应釜传热计算  67-69
    5.2.4 水解反应釜主要技术指标及设计结果  69-70
    5.2.5 800L水解反应釜设计图  70-71
  5.3 1500L缩合反应釜设计  71-73
    5.3.1 1500L缩合反应釜主要技术指标及设计结果  71-72
    5.3.2 缩合釜设计图  72-73
  5.4 1000L混合釜设计  73-75
    5.4.1 混合釜主要技术指标及设计结果  73-74
    5.4.2 混合釜设计图  74-75
  5.5 5000L中和釜的设计  75-77
    5.5.1 中和釜主要技术指标及设计结果  75-76
    5.5.2 中和釜设计图  76-77
  5.6 5000L热解釜的设计  77-79
    5.6.1 热解釜主要技术指标及设计结果  77-78
    5.6.2 热解釜设计图  78-79
6 结论与展望  79-81
  6.1 结论  79
  6.2 展望  79-81
参考文献  81-85
附录1：搅拌桨组合Ⅰ～Ⅷ釜内非稳态对流传热实验数据  85-125
附录2：某含能化合物缩合釜、混合釜、中和釜和热解釜设计计算过程  125-142
作者简历  142
科研成果  142

搅拌釜内对流传热过程的强化及应用研究

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