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搅拌釜内对流传热过程的强化及应用研究

毕纪葛  
【摘要】:含能化合物是生产制造混合炸药、发射药、固体推进剂的基本材料,在国防建设中有重要的地位。在含能化合物的制备过程中常常伴有强放热反应,反应放热量大且放热迅速。如果反应热不能及时移出,会导致反应热积蓄,局部温度过高而引发安全问题。为了解决某工业级规模含能材料合成过程中反应釜内的传热问题,本文对搅拌釜内的对流传热过程的强化进行了研究。首先对带盘管的搅拌釜进行了多组传热实验,测定了不同搅拌桨组合下盘管外侧的对流传热系数,然后对带盘管搅拌釜内的传热过程进行了CFD模拟和实验验证。最后对某含能材料合成中的工业级反应釜进行设计,并对硝化反应釜进行了模拟优化。论文主要内容如下: 1.对八种不同搅拌桨组合下的搅拌釜内对流传热过程进行了实验研究,测定了每种搅拌桨组合在不同转速下盘管外侧的对流传热系数,为强放热反应釜设计过程中搅拌桨组合方式的选择提供了参考。 2.通过计算流体力学软件FLUENT对带盘管搅拌釜内的非稳态换热过程进行了数值模拟,得到了搅拌釜内流场、温度场和盘管内外两侧平均对流传热系数。为了使模拟的传热过程更接近于真实传热,本文对盘管内外两侧的对流传热和盘管自身导热过程同时进行了模拟计算,采用对盘管分段划分网格的方法解决了弯曲盘管内外两侧边界层网格划分的难题。通过数值模拟方法获得的盘管外侧对流传热系数与实验测得值基本相符,盘管内侧模拟对流传热系数值与经验公式计算值吻合较好,对工程应用有较好的实用价值。 3.对某含能材料合成中的工业级硝化反应釜进行了设计和模拟优化,针对模拟发现的问题对硝化釜进行改进,降低了硝化反应釜的高径比和底层搅拌桨的安装位置,把底层搅拌桨换成桨径较小的四斜叶搅拌桨,改进后的硝化釜搅拌效果良好,并使单位体积能耗较大幅度降低。 4.对某含能化合物制备过程中的工业级水解釜、缩合釜、混合釜、中和釜和热解釜反应器进行了设计。


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