论文题目：搅拌釜非等温放大效应及放大准数优化数值模拟研究
摘要：低粘度液相聚合产品的生产常需经历由实验室规模到工业规模的逐级放大过程,然而所用生产装置（搅拌釜）放大产生的放大效应会使工业规模化的生产存在安全风险,因此,研究生产装置的放大特征以及控制放大效应对实现工业化安全生产具有重要意义。以聚合反应搅拌釜的放大为研究对象,运用COMSOL多物理场仿真软件进行数值模拟,结合相似理论和聚合反应案例研究了搅拌釜放大准数的优选,放大前后传质、传热相似条件以及聚合反应非等温效应的安全风险。最终优选出传质综合效果较好的放大准数,并从改变搅拌釜盘管结构角度对非等温传热的放大准数进行了参数优化,并且拟合出盘管外侧对流传热关联式,研究结果可为解决搅拌釜非等温放大效应以及搅拌釜放大参数设计提供指导。经过大量研究,主要结论如下:（1）基于相似理论分析得到了适用于搅拌釜放大研究的准数,即单位体积功率消耗（P/V）、桨叶端面速度(utip)、单位体积桨叶排出量（V/Qc）以及雷诺数（Re）,作为接下来进行搅拌釜传质和传热放大效应研究的放大基准,对应放大基准依次记为基准1～基准4。（2）搅拌釜的传质过程放大效果研究。通过对比不同基准下放大前后的时间及空间混合特性,得到混合时间大小关系为基准3=基准釜＜基准1＜基准2＜基准4,单位体积功耗大小关系为基准3＞基准1=基准釜＞基准2＞基准4。采用等桨叶端面速度与等雷诺数进行放大,混合时间长,不适于作为搅拌釜放大设计的基准;以等循环时间进行放大,可以得到与基准釜最为接近的混合时间。通过时间、空间混合特性综合对比,以等单位体积功耗（P/V）作为放大基准,在满足具有较好的混合效果的同时还保证了经济性,优于其他三种放大基准。（3）带盘管搅拌釜内的传热过程是流热物理场耦合的过程,存在非等温传热现象,即在流场流速越高的位置,传热效果越好。通过对某精细化工品在5m3搅拌釜发生聚合反应的非等温过程模拟结果表明,搅拌釜升温阶段和聚合初期的非等温效应易导致聚合主反应失控以及因热聚集出现局部高温的安全风险,聚合初期间歇升温时长为50s内有利于控制副产物和热失控,同时通过安全风险分析提出搅拌釜放大研究中控制体系热相似的必要性。（4）从改变搅拌釜盘管螺距对非等温传热的放大准数优化进行了参数设计建议,盘管螺距与盘管直径的比值（Sc/dt）越大,盘管外侧对流传热系数越小,当基准釜几何相似放大一倍,放大釜取Sc/dt值为1.68～1.8之间可达到与基准釜的热相似。
关键词：COMSOL;搅拌釜;非等温放大;准数
学科专业：安全工程（专业学位）
摘要
abstract
1 绪论
1.1 课题背景
1.2 国内外研究现状
1.2.1 化工放大与放大效应
1.2.2 化工设备放大效应的数值模拟研究
1.3 研究目的、意义和内容
1.3.1 研究目的、意义
1.3.2 研究内容
2 搅拌釜的数值计算方法
2.1 CFD技术简介
2.2 搅拌釜计算流体力学基本原理介绍
2.2.1 质量守恒方程
2.2.2 动量守恒方程
2.2.3 能量守恒方程
2.2.4 组分质量守恒方程
2.3 湍流模型
2.3.1 湍流流场计算方法
2.3.2 标准k-ε模型简介
2.4 COMSOL Multiphysics多物理场耦合数值模拟
2.4.1 COMSOL多物理场仿真软件介绍
2.4.2 COMSOL Multiphysics建模与分析
2.4.3 搅拌釜的数值模拟方法
2.4.4 选用物理场接口介绍
2.4.5 案例介绍
2.5 小结
3 基于相似理论的搅拌釜放大准数分析
3.1 搅拌釜放大研究方法
3.1.1 相似理论在放大中应用
3.1.2 冷模试验方法
3.2 搅拌釜放大准数的选择分析
3.2.1 量纲分析求解放大准数
3.2.2 搅拌釜其他放大准数
3.2.3 放大准数的选择结果
3.3 搅拌釜几何相似放大前后准数变化分析
3.4 小结
4 搅拌釜传质过程放大准数优选研究
4.1 前言
4.2 模型与方法
4.2.1 几何建模
4.2.2 数值建模
4.2.3 各放大基准下搅拌桨转速设置
4.2.4 网格划分及无关性检验
4.3 搅拌釜混合时间的模拟结果与分析
4.3.1 搅拌釜混合时间测定方法介绍
4.3.2 不同基准放大前后混合时间的比较
4.3.3 混合时间的浓度场分析
4.3.4 不同基准下的混合时间对比
4.4 流速及湍动能模拟结果与分析
4.5 搅拌功率模拟结果与分析
4.6 小结
5 搅拌釜非等温传热过程的多物理场耦合模拟
5.1 前言
5.2 带盘管搅拌釜多物理场耦合模拟
5.2.1 几何模型
5.2.2 材料参数设定
5.2.3 物理场与边界条件
5.2.4 网格划分及无关性验证
5.2.5 模拟计算与可靠性验证
5.3 模拟结果与分析
5.3.1 搅拌釜内的流场
5.3.2 搅拌釜内的温度场
5.3.3 盘管温度场
5.4 5m3聚合反应釜非等温效应模拟案例
5.4.1 聚合反应的选取
5.4.2 非等温聚合反应过程多物理场建模
5.4.3 模拟实验方案
5.4.4 模拟实验结果分析
5.4.5 聚合过程非等温效应的安全风险分析
5.5 小结
6 搅拌釜非等温放大准数优化
6.1 前言
6.2 几何相似放大建模
6.2.1 不同搅拌桨转速下的建模
6.2.2 不同螺距下的建模
6.3 模拟结果与分析
6.3.1 不同放大基准下的温度场模拟分析
6.3.2 不同螺距下的温度场模拟分析
6.4 放大前后盘管外侧对流传热系数关联式拟合
6.5 小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 不足与展望
致谢
参考文献
附录A
