易失控反應(yīng)過(guò)程的調(diào)控及強(qiáng)化研究.pdf

1、典型含能化合物的合成往往涉及易失控反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)過(guò)程的溫度變化較劇烈，溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)之間的耦合效應(yīng)大，若工藝條件控制不當(dāng)，容易產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，并可能導(dǎo)致反應(yīng)失控、飛溫爆炸。論文對(duì)含能化合物合成中廣泛應(yīng)用的釜式和管式反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了研究，開發(fā)了一種適合于易失控反應(yīng)過(guò)程的攪拌槳，設(shè)計(jì)了新型釜式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器，并對(duì)其進(jìn)行了模擬和優(yōu)化，較好地實(shí)現(xiàn)了易失控反應(yīng)過(guò)程的安全調(diào)控。
　　 主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 1.在易失控

2、半間歇反應(yīng)過(guò)程中實(shí)際攪拌器的安裝高度往往較低，流體對(duì)槳葉背部的沖擊較大，且為了攪拌混合均勻，一般都設(shè)置較高的轉(zhuǎn)速，耗能較大。通過(guò)研究在強(qiáng)放熱條件下九種不同類型、尺寸的攪拌槳轉(zhuǎn)速不同時(shí)對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)傳熱過(guò)程的影響，選擇了傳熱效果優(yōu)良的攪拌槳，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了適用于易失控反應(yīng)過(guò)程的新型攪拌器(CBY-H)。新型攪拌器通過(guò)在槳葉片上開設(shè)的梯形孔槽減少了流體對(duì)攪拌槳葉面背部的沖擊力，減小攪拌器的振動(dòng)，加強(qiáng)軸向循環(huán)和流動(dòng)，且可以讓反應(yīng)生成的氣體順利

3、的傳輸與逸出。此外，所述的翼型攪拌器的攪拌功率小于一般的翼型槳，能耗低。
　　 2.由于攪拌器的復(fù)雜性和多樣性，基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的預(yù)測(cè)技術(shù)在攪拌器的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。深入了解不同攪拌器攪拌釜內(nèi)流場(chǎng)的分布、攪拌功率和傳熱系數(shù)的大小對(duì)含能化合物合成過(guò)程中使用的攪拌設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)CBY-H槳無(wú)擋板攪拌釜內(nèi)流場(chǎng)的速度分布和攪拌功率進(jìn)行了詳細(xì)的研究。通過(guò)將研究結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的CBY槳流動(dòng)

4、性能進(jìn)行比較，對(duì)CBY-H槳的流場(chǎng)特性和能耗進(jìn)行了評(píng)定。同時(shí)，測(cè)定了CBY和CBY-H槳的傳熱系數(shù)，獲得了釜內(nèi)流體對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，為攪拌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工業(yè)放大提供一定的指導(dǎo)。
　　 3.許多含能化合物的合成過(guò)程涉及硫酸銨+硝酸銨+水等三元電解質(zhì)體系。本文在T=(278.15～333.15)K下，較大濃度范圍內(nèi)測(cè)定了硫酸銨+水、硝酸銨+水和硫酸銨+硝酸銨+水體系的導(dǎo)熱系數(shù)和密度數(shù)據(jù)，并獲得相應(yīng)體系的密度和導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)方程，

5、用于易失控反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 4.在含能化合物生產(chǎn)過(guò)程中，很多化學(xué)反應(yīng)是在攪拌反應(yīng)釜中進(jìn)行的強(qiáng)放熱反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)熱不能有效移出時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)熱的蓄積，溫度進(jìn)一步升高，使反應(yīng)釜局部過(guò)熱，出現(xiàn)“熱點(diǎn)”、飛溫失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而引起反應(yīng)失控，甚至是熱爆炸，嚴(yán)重影響財(cái)產(chǎn)和生命安全。因此，本文針對(duì)某易失控釜式縮合過(guò)程展開了研究，確定了快速傳遞熱量的反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型縮合反應(yīng)釜，建立了某易失控釜式縮合過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，模擬了含能中

6、間體合成過(guò)程中縮合反應(yīng)的失控、飛溫情況，提出了相應(yīng)的技術(shù)預(yù)防與應(yīng)急措施，優(yōu)化了縮合反應(yīng)過(guò)程的工藝條件，獲得了操作安全、收率較高的含能化合物的生產(chǎn)工藝。在中試裝置上進(jìn)行了穩(wěn)定批實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際工藝優(yōu)化的結(jié)果相符，可用于對(duì)含能中間體的工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)和預(yù)測(cè)。
　　 5.由含能中間體制備某含能化合物的合成過(guò)程包括混合、硝解和熱解等階段，硝解反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，副反應(yīng)多，是該過(guò)程的控制步驟，硝解反應(yīng)工藝的優(yōu)化對(duì)含能化合物收率和選擇性的

7、提高具有重要的意義。本文針對(duì)某易失控管式硝解過(guò)程展開了研究，建立了含能中間體硝解過(guò)程管式反應(yīng)器的流動(dòng)-擴(kuò)散-反應(yīng)模型，利用脈沖進(jìn)樣模擬了螺旋管式反應(yīng)器的流動(dòng)特性，通過(guò)停留時(shí)間分布計(jì)算了實(shí)際硝解反應(yīng)的軸流擴(kuò)散系數(shù)、Peclect數(shù)以及Da數(shù)，模擬了經(jīng)管式反應(yīng)合成含能目標(biāo)產(chǎn)物的收率，在中試裝置上進(jìn)行了穩(wěn)定批實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好，可用于指導(dǎo)和預(yù)測(cè)含能化合物的工業(yè)生產(chǎn)。同時(shí)，基于上述研究設(shè)計(jì)了一種新型的適用于反應(yīng)中生成氣體的內(nèi)置