用于适用于二硝基甲苯氢化的搅拌反应器数值模拟研究
通过计算流体力学(CFD)的方法,对2,4-二硝基甲苯催化加氢反应展开研究:首先对两种不同结构的搅拌反应器进行气液两相流模拟研究,然后选定一组性能的反应器,首次对该化学反应过程进行模拟,最后将放大后的双层反应器进行气液两流模拟,为反应器的设计以及2,4-二硝基甲苯化学反应的模拟奠定基础.
主要研究内容如下:(1)本文在H2O-H2体系下,采用欧拉两相流模型,对带有16圈导流管的三叶螺旋桨搅拌釜,进行了气液两相流稳态模拟研究.在计算过程中,均使用多面体网格对几何模型进行划分,使用多重参考系(MRF)法处理桨叶区域和挡板之间的相对运动,并选用RNG k-湍流模型.通过对12种不同工况的模拟,结果表明:三叶螺旋桨搅拌釜在液位高度为130mm,搅拌转速为1800rpm时,其吸气量,即当液位高度越低,搅拌转速越大时,搅拌釜内进气量越大,并将结果与文献实验值进行对比验证,误差为12%,在可接受范围内,从而保证了结果可靠性.
(2)使用同样的搅拌釜尺寸规模,通过正交试验法,对自吸式搅拌釜的9种不同工况进行了气液两相流流场模拟.通过研究不同的液位高度,桨叶悬挂高度,搅拌转速对自吸式搅拌釜吸气速率的影响,同样发现在液位高度为130mm,搅拌转速为1800rpm时,其吸气速率,并将模拟结果与文献进行了对比验证.最后,将两种搅拌釜进行综合对比分析,并发现自吸式搅拌釜更适合作为2,4-二硝基甲苯催化加氢反应的场所.
(3)在工况的自吸式搅拌釜内进行2,4-二硝基甲苯催化加氢反应模拟.本文采用前人实验研究所获得的主反应动力学方程,在温度为373K,搅拌转速为1800rpm,2,4-二硝基甲苯浓度为8%,催化剂浓度为0.3%,反应压力为20bar的条件下,对该反应中的热力学物性参数进行计算,并通过UDF编程,实现该反应过程中需要建立的化学反应源项数值模型,进而获取到不同时刻下,相应的压力场,浓度场,温度场变化情况,研究发现:在相同的位置处,该反应的温度越高,反应速率越快,2,4-二硝基甲苯转化率就越高.
(4)将三叶螺旋桨和CBY-H桨分别作为下层桨,自吸式桨叶作为上层桨叶,采用几何相似放大法,将2L自吸式搅拌釜放大到500L,并对2种双层桨搅拌釜进行气液两相流模拟,结果发现:CBY-H作为下层桨叶,其液体泵送能力更好.
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