大流量比液体快速混合与连续管式硝化反应过程数值模拟

作     者：张梦雪 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：骆培成;丁克鸿

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：硝化 N-丁基乙醇胺 标准k-ε模型 大涡模拟 粒子群优化算法 管式反应器 

摘      要：硝化反应过程一般为强放热反应,且硝化产物一般具有易燃易爆特性,因此控制硝化反应过程的传质传热性能,是提高过程本质安全的关键因素。本文针对环形管式硝化工艺中的关键硝化反应单元,研究开发适用于小流量新鲜进料与大流量循环物料之间的快速混合、反应设备,强化反应过程的传质、传热效率,提高该类反应过程的工艺安全性。论文首先采用计算流体力学(CFD)方法,在雷诺时均Navier-Stokes方程方法和大涡模拟方法两个层面对三种结构的快速喷射混合单元内,具有大流量比的两股流体之间的混合过程进行了深入研究。考察了混合器的结构参数和操作条件对混合性能的影响规律,以及混合器在放大过程中混合性能的变化规律,在此基础上提出了用于大流量比液体快速混合过程的最优结构设计。其次,以N-丁基乙醇胺(BEA)上的羟基硝酸酯化反应为研究对象,采用粒子群优化算法(PSO)对硝酸酯化反应过程的动力学进行研究,获得相应的反应动力学参数。最后,在上述研究基础上耦合反应动力学,对优化的硝化反应单元内的硝化反应过程进行数值模拟,考察反应过程的浓度分布、温度分布等特性,探索该类硝化反应设备内反应过程的安全特性。研究结果表明:错流旋流射流式喷射混合器的混合效果远远优异于同轴射流式和同轴旋流静态混合式混合器。其不仅结构简单,而且有利于工艺放大。该喷射器可以实现两股大流量比液体达到99%的物理混合所需的距离在13 mm之内,大流量旋流角度、孔数和流量比的增加对混合效果均产生有益的影响。标准k-ε模型与大涡模拟的结果比较表明,在0-9 mm混合距离内的离析度相差大,9-25mm内两种模型的计算结果渐趋一致,25-100 mm内离析度一致。错流旋流射流式喷射混合器的结构在几何放大后,高浓度区域的面积以及形状均没有随着几何尺寸的放大而改变,离析强度的整体变化趋势一致,小流量射流的流线轨迹变化规律也是一致的。错流旋流射流式喷射混合器的放大效应较小,对混合过程具有明显的强化作用。最后通过PSO算法拟合了N-丁基乙醇胺的硝化反应动力学参数,拟合得到的放热曲线与实验数据较为吻合。BEA进料与硝酸反应高温点主要集中在BEA进料口,温度范围可以控制在283-333 K,最终反应器出口的温度为285.5 K,混合物料经反应后的温升控制在3℃以下,大大提高了硝化反应过程的本质安全。