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
• 机 构: 浙江大学
• 出 处: 浙江大学
• 发表日期: 2014年期
• 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

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。