基于CFD模拟技术的化学反应失控危险性研究

论文摘要

化学工业是国民经济的支柱产业之一,是社会、经济发展进步的重要物质基础。但是,化工生产所具有的工艺复杂、规模庞大以及生产介质的易燃易爆、有毒有害等的特点决定了其是一个高危险的行业。在化工生产过程中,多数化学反应是在有搅拌器的反应器中进行的放热反应,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,但由于技术局限性或人为的原因,釜式反应器因反应失控导致爆炸、火灾和有毒物料泄漏事故时有发生。反应失控事故的一旦发生,将导致严重的人员伤亡和巨额的财产损失,同时也会造成周边乃至区域性生态环境的破坏。本文首先对全混流反应器的反应失控事故进行了分析,总结出造成反应失控主要事故原因和事故特征。在分析了全混流反应器的失控原因基础上,文中利用全混流反应器的稳定方程这种方法计算了全混流反应器发生失控时的临界安全操作条件；并且在此基础之上,运用CFD模拟技术对反应器情况进行数值模拟。文中所建立的临界安全操作值判据及CFD数值模拟结果与处理图表可以为全混流反应器的安全运行与优化提供有效的理论依据。本文综合应用热稳定性分析、热稳定性判据、安全操作临界值计算与CFD数值模拟分析等方法对实际化工生产过程进行了计算、模拟,并比较了改变单一操作条件,反应器中安全运行与发生反应失控时温度场的情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 化工行业安全生产的重要性
• 1.1.1 化工生产过程的特点
• 1.1.2 反应失控事故原因与事故特征分析
• 1.1.3 典型失控化学反应类型
• 1.2 化学反应失控的研究现状和发展趋势
• 1.2.1 反应器反应失控研究的历史
• 1.2.2 反应器反应失控研究现状
• 1.3 CFD技术的应用及发展概况
• 1.3.1 CFD技术简介及软件构成
• 1.3.2 CFD技术在反应器中的应用进展
• 1.4 本课题研究的意义、方法和内容
• 第二章 全混流反应器热稳定性理论分析
• 2.1 全混流反应器模型
• 2.2 全混流反应器数学模型的建立
• 2.2.1 全混流反应器物料衡算方程
• 2.2.2 全混流反应器热量衡算方程
• 2.2.3 釜式反应器的间歇操作
• 2.2.4 全混流反应器的数学模型
• 2.3 反应器的热稳定性
• 2.4 全混流反应器热稳定性判据
• 2.5 全混流反应器稳定方程
• 2.6 丙二醇生产过程安全操作临界条件
• 2.6.1 热稳定性
• 2.6.2 临界安全操作条件
• 2.6.3 临界安全操作条件计算
• 第三章 全混流反应器数值模拟
• 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 能量方程
• 3.2 CFD求解
• 3.2.1 CFD的求解过程
• 3.2.2 数学模型与网格划分
• 3.2.3 几何模型与网格生成
• 3.3 数值求解
• 3.3.1 设定解算器
• 3.3.2 设定数学模型
• 3.3.3 设置边界条件
• 3.3.4 设置求解控制参数
• 3.3.5 流场迭代计算
• 第四章 模拟结果输出及分析
• 4.1 模拟结果的意义
• 4.1.1 残差监视图
• 4.1.2 温度、压力、速度等值线图
• 4.1.3 速度矢量图
• 4.2 温度场
• 4.3 压力场
• 4.4 速度场
• 4.5 速度矢量场
• 第五章 结论及展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢