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。
In the chemical production process, most reaction goes with strong exothermic effect. Despite of the design of safe and reliable reactor and peripheral equipment, and the modern process control technology, the fire and explosion accidents, which are easy to bring serious casualty and loss, occurred frequently caused by runaway reaction because of technology and human factors.
By using the basic methods of Thermal Explosion Theory, firstly the global thermal stability of PFR with 1-dimensional pseudo homogeneous phase model is analyzed, and the critical thermal point temperature and critical operation conditions are determined. And then 2-dimensional pseudo homogeneous phase model, in which velocity and temperature 2-dimensional distribution and mass and energy of species 2-dimensional dispersion are considered, is simulated numerically by the software of Fluent to study thermal stability near the critical point and observe the parametric sensitivity, and results obtained are more exact compared to 1-dimensional model and equal 1-dimensional model. At last, effective measures are found to avoid reaction runaway according to the sensitivity of thermal point temperature to technics parameters.
The two-step method of analysis first in simple model and then in complex model by the use of numerical simulation software with strong functions has big meaning to study the thermal stability of PFR in 2-dimensional pseudo homogeneous phase model or 2-dimensional heterogeneous phase model and to optimize technics course.
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。
In the chemical production process, most reaction goes with strong exothermic effect. Despite of the design of safe and reliable reactor and peripheral equipment, and the modern process control technology, the fire and explosion accidents, which are easy to bring serious casualty and loss, occurred frequently caused by runaway reaction because of technology and human factors.
By using the basic methods of Thermal Explosion Theory, firstly the global thermal stability of PFR with 1-dimensional pseudo homogeneous phase model is analyzed, and the critical thermal point temperature and critical operation conditions are determined. And then 2-dimensional pseudo homogeneous phase model, in which velocity and temperature 2-dimensional distribution and mass and energy of species 2-dimensional dispersion are considered, is simulated numerically by the software of Fluent to study thermal stability near the critical point and observe the parametric sensitivity, and results obtained are more exact compared to 1-dimensional model and equal 1-dimensional model. At last, effective measures are found to avoid reaction runaway according to the sensitivity of thermal point temperature to technics parameters.
The two-step method of analysis first in simple model and then in complex model by the use of numerical simulation software with strong functions has big meaning to study the thermal stability of PFR in 2-dimensional pseudo homogeneous phase model or 2-dimensional heterogeneous phase model and to optimize technics course.
引文
1.朱开宏,袁渭康.化学反工程分析[M].北京：高等教育出版社,2002.12
2.李绍芬.反应工程[M].北京：化学工业出版社,2000.6
3. 王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2004.9
4. 陈宝智.安全原理[M].北京：冶金工业出版社,2002.9
5.冯长根.热爆炸理论[M].北京：科学出版社,1988.5.
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11. Dente M Collina M. Chim&Induatria,1964 (46):752
12. Adler J Enig J w. comb&Flame,1964 (a):97
13. Hlavecek V. Ind Fng Chem,1970 (62):9
14. Van weleenaeie R J, Froment G F. Chem Eng Sci,1970 (25):1503
15. Oroskar A, Stem S A. AIChr J,1979 (25):903
16.吴鹏,李绍芬等.固定床反应器n级反应的飞温判据[J],高校化学工程学报,1995,第9卷(第2期)：162-167
17.吴鹏,李绍芬等.固定床反应器的飞温和参数敏感性[J],化工学报,1994,45卷(4期)：422-427
18.曹蔚,陈良恒等.壁冷管式反应器的多态、稳定性及可操作性
19.夏清陈常贵.化工原理[M].天津：天津大学出版社,2005.1
20. A. Molnar, J. Markos, L'. Jelemensky. Safety analysis of CSTR towards changes in operating condition[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 16(2003) 373-380
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32.黄郑华.反应失控类火灾爆炸事故预防[J].23-25
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36.邓楠.全混流反应器反应失控危险性分析[D],沈阳：东北大学,2006
37.沈赢坪,张濂,化学反应工程和工艺,3(3)(1987)
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39.曹蔚、陈良恒、陈敏恒、袁渭康,石油学报(石油加工),6(1990),4：79.
40.曹蔚、陈良恒、陈敏恒、袁渭康,石油学报(石油加工),7(1991),1：96
41.曹蔚、陈良恒、陈敏恒、袁渭康,石油学报(石油加工),7(1991),2：23
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48.黄书文,陈尚伟.程晓勇固定床反应器参数灵敏性分析中径向温度分布的简化处理[J].四川轻化工学院学报.2000年6月第13卷第2期,21-25
49.黄书文,陈尚伟.固定床反应器的参数灵敏性及失控行为[J].四川轻化工学院学报.2000年3月第13卷第1期,15-18
50.陈尚伟,黄书文,程晓勇.固定床反应器改进一维模型的参数灵敏性[J].绵阳经济技术高等专科学校学报.2000年9月第16卷第3期,53-57
51.陈尚伟,程晓勇.绝热固定床反应器的参数灵敏性[J].化学研究与应用.2000年2 月第12卷第1期,106-111
52.吴鹏.固定床反应器的参数敏感性：(学位论文).天津：天津大学,1993