管式反应器反应失控的CFD技术分析

摘要

在化工生产过程中，大多数化学反应伴随着强烈的放热效应。尽管设计有安全与可靠的反应器和外围设备，以及现代化的过程控制技术，但由于技术或人为的原因，因反应失控而导致的火灾爆炸事故仍屡有发生，造成重大的人员伤亡和财产损失。
　　 本文运用热爆炸理论基本方法，首先对一维拟均相管式反应器模型的热稳定性进行全局分析，得出临界热点温度和临界操作条件；进而利用Fluent软件对二维拟均相管式固定床反应器进行数值模拟，在充分考虑了温度、速度二维分布、组分质量和热量扩散的基础上，考察了管式反应器在在临界点附近的热稳定性，得到了与一维模型和当量一维模型更细致和准确的结果，最后根据热点温度对各种工艺参数的敏感性得出控制反应失控的有力措施。
　　 本文采用简化模型初步分析，再借助功能强大的数值模拟软件考察复杂模型进行细致分析的两步分析方法，对于考察管式反应器二维拟均相、非均相模型的热稳定性以及工艺过程的优化设计具有一定的借鉴意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 化工生产及事故特点

1.1.1 化工生产的特点

1.1.2 化工生产事故

1.2 本文研究的意义

1.3 化学反应失控的研究历史与现状

1.3.1 化学反应失控研究的起源

1.3.2 管式反应器反应参数敏感性的研究进展

1.3.3 管式反应器多态现象的研究进展

1.3.4 管式反应器反应参数敏感性研究现状的局限性

1.4 研究方法

第二章 管式反应器建模与热平衡性分析

2.1 化工反应器及操作类型

2.2 反应器模型

2.2.1 反应器模型概述

2.2.2 理想流动反应器模型

2.2.3 非理想流动模型

2.3 管式反应器数学模型的建立

2.3.1 管式反应器物料衡算方程

2.3.2 管式反应器热量衡算方程

2.3.3 二维拟均相管式反应器数学模型

2.4 管式反应器的参数灵敏性

2.4.1 理论分析

2.4.2 反应系统安全操作的临界判据

第三章 CFD数值模拟的相关理论

3.1 计算流体力学控制方程

3.1.1 质量守恒方程

3.1.2 动量守恒方程

3.1.3 能量守恒方程

3.1.4 物质输运方程

3.1.5 控制方程的通用形式

3.2 CFD的求解过程

3.3 CFD软件结构

3.3.1 前处理器

3.3.2 求解器

3.3.3 后处理器

3.4 CFD相关软件的对比与选择

3.4.1 几何建模工具

3.4.2 网格划分工具

3.4.3 CFD求解工具

3.4.4 后处理工具

3.4 FLUENT软件

第四章 拟均相管式反应器的FLUENT模拟

4.1 工艺介绍

4.1.1 苯酐简介

4.1.2 苯酐生产的历史和现状

4.1.3 工艺流程概述

4.2 模拟实例

4.2.1 二维拟均相管式反应器的几何模型和网格模型

4.2.2 Fluent软件模拟过程

4.3 模拟结果及分析

4.3.1 二维拟均相管式反应器温度场、物质浓度场的分布情况

4.3.2 轴向温度对烃入口分压的敏感性

4.3.3 轴向温度对进料温度的敏感性

4.3.4 轴向温度对冷却介质温度的影响

第五章 结论与展望

参考文献

致谢