内热驱动的环流式反应器开发与流场模拟

论文摘要

二甲基环体硅氧烷是用于合成各种有机硅产品的重要中间体,因此,二甲基二氯硅烷水解物裂解制备环硅氧烷成为有机硅单体生产的重要环节。二甲基二氯硅烷水解物裂解釜是有机硅裂解生产的关键设备,其性能对产品质量及收率有重要影响。本文的研究工作主要围绕裂解反应器展开:针对裂解反应器内存在传热效率低和搅拌效果差引起裂解不充分两大难题,在对现有裂解反应器内部换热结构进行系统分析的基础上,提出了一种适用于强吸热过程的新型裂解重排反应器的设计思路,构思设计了螺旋板式加热内件;提出液相大循环的全新设计理念,开发出新型内热驱动的环流式裂解重排反应器。基于流体循环流动动力学模型,求解流体进行循环流动的推动力,进而建立了稳态操作时液体提升量的数学模型;用Rouhani机理模型和Zuber-Findlay关系式计算了环形通道内硅油发生流动沸腾传热的轴向含气率分布,与模拟结果进行对比分析,一致性较好;将压力平衡数学模型和能量守恒相结合,优化了设备结构尺寸及特性参数,从而指导系统设计。以裂解反应器加热内件为原型,对模型进行合理简化,建立了 "双面加热环形管"三维物理模型;在传热理论分析的基础上,综合了汽液间的能量、质量及动量传递,建立了多维热相变数学模型,对硅油的流动沸腾相变过程进行了数值模拟;得到拟定条件下的速度场、压力场及温度场分布,并分析讨论了含气率、传热系数、湍动能、流体流速等特性参数的变化规律;同时研究了不同热流密度及不同入口流量对流体的含气率、换热系数及压降的影响。研究结果可以为裂解反应器的优化设计及安全运行提供一定的理论支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 前言
• 1 绪论
• 1.1 有机硅材料
• 1.2 有机硅产业发展概况及趋势
• 1.3 有机硅水解物裂解重排反应原理及生产工艺
• 1.3.1 反应机理及过程分析
• 1.3.1.1 反应机理
• 1.3.1.2 过程分析
• 1.3.2 二甲基二氯硅烷水解物裂解重排生产工艺综述
• 1.4 CFD数值模拟方法
• 1.4.1 计算流体力学（CFD）简介
• 1.4.2 Ansys CFX软件介绍
• 1.5 课题背景及研究内容
• 1.5.1 课题背景
• 1.5.2 研究内容
• 2 内热驱动式环流反应器的开发
• 2.1 裂解重排反应器的技术现状及分析
• 2.2 新型反应器开发的总体思路
• 2.3 动力学模型
• 2.3.1 裂解釜内气液流体的流动
• 2.3.2 动力学模型函数的求出
• 2.3.3 提升模型
• 2.4 热力学模型
• 2.4.1 ZONB点和ZFDB点的位置的确定
• 2.4.2 空泡份额数学计算模型
• 2.5 设计计算
• 2.5.1 沸腾换热特性分析及计算
• 2.5.1.1 沸腾传热计算模型
• 2.5.1.2 流动沸腾传热计算
• 2.5.2 流体力学计算
• 2.5.2.1 压力平衡数学模型
• 2.5.2.2 仿真计算过程及结果
• 2.6 本章小结
• 3 气液两相流数学模型建立
• 3.1 两相流数值模拟
• 3.1.1 两相流基本数理模型
• 3.1.2 两相流数值模拟方法
• 3.1.3 热相变模型
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 基本控制方程
• 3.2.2 湍流模型
• 3.2.3 热力学相变模型
• 3.3 本章小结
• 4 流动沸腾特性数值模拟
• 4.1 模型的建立及求解
• 4.1.1 物理模型建立及网格划分
• 4.1.2 物性数据的获取
• 4.1.3 边界条件的设定
• 4.1.4 数值求解方法
• 4.2 模拟结果分析与讨论
• 4.2.1 流动沸腾与换热特性分析
• 4.2.1.1 体积含气率
• 4.2.1.2 传热系数
• 4.2.1.3 湍动能
• 4.2.1.4 速度场
• 4.2.1.5 温度场
• 4.2.1.6 压力场
• 4.2.1.7 关联性分析
• 4.2.2 流动沸腾与换热影响因素分析
• 4.2.2.1 热流密度对流动特性的影响
• 4.2.2.2 入口流量对流动特性的影响
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录