易失控反應(yīng)過程的調(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)過程，反應(yīng)過程的溫度變化較劇烈，溫度場、速度場、濃度場之間的耦合效應(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。論文對含能化合物合成中廣泛應(yīng)用的釜式和管式反應(yīng)過程進(jìn)行了研究，開發(fā)了一種適合于易失控反應(yīng)過程的攪拌槳，設(shè)計了新型釜式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器，并對其進(jìn)行了模擬和優(yōu)化，較好地實(shí)現(xiàn)了易失控反應(yīng)過程的安全調(diào)控。
　　 主要研究內(nèi)容如下:
　　 1.在易失控

2、半間歇反應(yīng)過程中實(shí)際攪拌器的安裝高度往往較低，流體對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)速不同時對反應(yīng)釜內(nèi)傳熱過程的影響，選擇了傳熱效果優(yōu)良的攪拌槳，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了適用于易失控反應(yīng)過程的新型攪拌器(CBY-H)。新型攪拌器通過在槳葉片上開設(shè)的梯形孔槽減少了流體對攪拌槳葉面背部的沖擊力，減小攪拌器的振動，加強(qiáng)軸向循環(huán)和流動，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，基于計算流體力學(xué)(CFD)的預(yù)測技術(shù)在攪拌器的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。深入了解不同攪拌器攪拌釜內(nèi)流場的分布、攪拌功率和傳熱系數(shù)的大小對含能化合物合成過程中使用的攪拌設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計具有重要的意義。本文采用數(shù)值模擬的方法對CBY-H槳無擋板攪拌釜內(nèi)流場的速度分布和攪拌功率進(jìn)行了詳細(xì)的研究。通過將研究結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的CBY槳流動

4、性能進(jìn)行比較，對CBY-H槳的流場特性和能耗進(jìn)行了評定。同時，測定了CBY和CBY-H槳的傳熱系數(shù)，獲得了釜內(nèi)流體對流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，為攪拌器的優(yōu)化設(shè)計和工業(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)過程的優(yōu)化設(shè)計。
　　 4.在含能化合物生產(chǎn)過程中，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，便會導(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)重影響財產(chǎn)和生命安全。因此，本文針對某易失控釜式縮合過程展開了研究，確定了快速傳遞熱量的反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種新型縮合反應(yīng)釜，建立了某易失控釜式縮合過程的數(shù)學(xué)模型，模擬了含能中

6、間體合成過程中縮合反應(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，可用于對含能中間體的工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)和預(yù)測。
　　 5.由含能中間體制備某含能化合物的合成過程包括混合、硝解和熱解等階段，硝解反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，副反應(yīng)多，是該過程的控制步驟，硝解反應(yīng)工藝的優(yōu)化對含能化合物收率和選擇性的

7、提高具有重要的意義。本文針對某易失控管式硝解過程展開了研究，建立了含能中間體硝解過程管式反應(yīng)器的流動-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)器的流動特性，通過停留時間分布計算了實(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)測含能化合物的工業(yè)生產(chǎn)。同時，基于上述研究設(shè)計了一種新型的適用于反應(yīng)中生成氣體的內(nèi)置