顺酐反应器的设计方法、设计系统及信息数据处理终端与流程

1.本发明属于顺酐反应器技术领域，具体涉及一种顺酐反应器的设计方法、设计系统及信息数据处理终端。


背景技术：

2.顺丁烯二酸酐（简称顺酐，ma）又名马来酸酐，是目前世界上产量仅次于苯酐和醋酐的第三大有机酸酐，被广泛应用于合成树脂、涂料、农药、医药、增塑剂、润滑油添加剂、食品添加剂和稳定剂等方面。顺酐的生产工艺路线按照原料的不同可分为正丁烷氧化法、苯氧化法、c4烯烃氧化法和苯酐副产法。其中苯酐副产法顺酐的产量有限，c4烯烃氧化法因副产物较多已被淘汰，苯氧化法因其毒性大、环境污染和碳原子利用率低等特点被逐步淘汰。正丁烷氧化法因其原料价廉、污染相对较轻和碳原子利用率高等优点，已在顺酐生产中居于主导地位。
3.众所周知，顺酐反应器是实现顺酐生产工艺的重要设备之一；针对不同结构的顺酐反应器，其内部的流速分布和温度分布不尽相同，即使是同一顺酐反应器，其内部不同位置的流速分布和温度分布也不尽相同，而流速分布和温度分布的差异化直接影响反应器催化剂的使用寿命，进而影响整个装置的运行周期和运行成本，为此，设计开发一种顺酐反应器的设计方法及设计系统具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种顺酐反应器的设计方法、设计系统及信息数据处理终端，运用计算流体力学的方法，通过调整换热介质的出口/入口的流量分配板的结构；对顺酐反应器内部流道进行优化设计，包括调整折流板边上穿流孔的大小与数量、调整折流板板间距、调整中心管直径，实现换热介质在反应器内部均匀流动；进行流体流场和温度场的耦合，获得反应器内部温度场数值，选定顺酐反应器空间内熔盐流动性最差的点进行熔盐温度监测。控制反应器任意横向截面上温度监测点的径向温差最大值不大于
±
2℃；轴向温差最大值不大于5℃；进而达到避免催化剂出现超温现象，保证顺酐反应器安全高效生产的目的。
5.本发明通过对顺酐反应器的流场-温度场耦合仿真分析，获得顺酐反应器内的流场分布，特别是关键位置（进出口流量分配板、折流板、管束区）的流速分布和管束区的温度场分布，从而根据这些流场和温度场信息，对顺酐反应器的流道结构进行优化，确保顺酐反应器的管束区流场和温度场的均匀性。
6.本发明的第一目的是提供一种顺酐反应器的设计方法，包括：s1、计算顺酐反应器模型的流场和温度场；具体包括：s101、根据顺酐反应器结构，建立计算流体力学模型；s102、设置计算流体力学模型的参数：进口熔盐的质量流量和温度、管束区的阻力、松弛因子；
s103、根据反应管热负荷试验数据，设置温度场计算的前置关联条件；s104、对流场和温度场进行耦合分析计算：根据顺酐反应器入口的质量流量、熔盐的密度、运动粘度和管束区的流通面积、传热管的直径，计算管束区的雷诺数；根据雷诺数选择流动模型，若雷诺数小于104选择层流模型，若雷诺数不小于104选择湍流模型，通过模拟计算得到速度场分布；根据温度场计算的前置关联条件，得到温度场的分布；s105、基于边界条件完成流场和温度场的计算，并获得初始管束区轴向和径向的温度分布，通过选取不同的横向界面和竖向界面，获得轴向温差最大值和径向温差最大值，并判断径向温差最大值和轴向温差最大值是否满足设计要求，所述设计要求为：径向温差最大值是否不大于
±
2℃，轴向温差最大值是否不大于5℃；当初始设计结构不满足上述设计要求时，执行s2，当初始设计结构满足上述设计要求时，执行s3；s2、优化反应器内部流道；具体包括：首先对流道参数进行敏感性分析，流道参数包括折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔尺寸、折流板内径、折流板外径、折流板间距和中心管尺寸；然后对流道参数敏感性进行大小排序；最后根据敏感性从大到小的排序，调整流道参数；调整完成后返回至s101；s3、设计换热介质的出口和入口的流量分配板；具体为：通过计算流体力学的方法，确定外循环错流模型下不等面积的流量分配板尺寸的分布规律；在选取开孔直径为定值的前提下，获得不等面积流量分配板上的开孔率，对进入反应器的流量进行调节；最终得到开孔率s的规律为：s=0.0024x2+0.0156x+0.3161；其中，s为开孔率，x为流量分配板中心线和入口管中心线之间的夹角或流量分配板中心线和出口管中心线之间的夹角；s4、在熔盐泵正常流量的60%～100%范围内，更改熔盐流量，重复计算得到若干个温度场；根据得到的各个温度场，选取温度最高点截面、径向温差最高点截面设置测温点；s5、完成顺酐反应器流道设计；具体包括：将折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔尺寸、折流板内径、折流板外径、折流板间距、中心管尺寸、出口和入口的流量分配板开孔率的数值作为顺酐反应器施工设计的数据。
7.优选地，所述顺酐反应器包括圆柱形的空腔壳体，在空腔壳体的内腔设置有环形结构的折流板和中心管，在空腔壳体的侧壁开设有左右对称的入口管和出口管；s101具体为：s1011、建立顺酐反应器的三维流场计算模型；s1012、通过布尔运算，提取三维流场计算模型中的流体域模型；s1013、将流体域模型沿x平面和y平面进行切割，得到1/4的流体域模型作为计算流体力学分析模型；所述空腔壳体的中心轴位于x平面和y平面内，且x平面和y平面相互垂直。
8.优选地，s102具体为：基于顺酐反应器的运行工况，设置进口熔盐的质量流量和温度；
根据顺酐反应器内部的管束排布方式，设置管束区的阻力；s103具体为：根据试验得到的顺酐反应器管侧的化学反应特性，设置管束区的吸热功率、放热功率。
9.优选地，s104中，壁面采用无滑移边界，壁面函数采用two-layer all y+ treatment；动量方程添加重力源项；边界条件设定为质量流量入口、压力出口；将动量方程中速度参数的松弛因子调节至0.15；将动量方程中压力参数的松弛因子调节至0.03；将湍动能参数的松弛因子调节至0.15；将湍流耗散率参数的松弛因子调节至0.2；将能量参数的松弛因子调节至0.3；计算过程中监测质量、速度、湍动能和湍流耗散率的残差、进出口的压降和温差、计算域的最大速度和最大温度，当监测量稳定且波动幅度不大于1%时，认为计算收敛。
10.本发明的第二目的是提供一种顺酐反应器的设计系统，包括：计算模块：计算顺酐反应器模型的流场和温度场；具体包括：s101、获取计算流体力学分析模型；s102、设置下列参数：进口熔盐的质量流量和温度、管束区的阻力；s103、根据反应管热负荷试验数据，设置温度场计算的前置关联条件；s104、对流场和温度场进行耦合分析计算：根据顺酐反应器入口的质量流量、熔盐的密度、运动粘度和管束区的流通面积、传热管的直径，计算管束区的雷诺数；根据雷诺数选择流动模型，若雷诺数小于104选择层流模型，若雷诺数不小于104选择湍流模型，通过模拟计算得到速度场分布；根据温度场计算的前置关联条件，得到温度场的分布；s105、基于边界条件完成流场和温度场的计算，并获得初始管束区轴向和径向的温度分布，通过选取不同的横向界面和竖向界面，获得轴向温差最大值和径向温差最大值，并判断径向温差最大值和轴向温差最大值是否满足设计要求，所述设计要求为：径向温差最大值是否不大于
±
2℃，轴向温差最大值是否不大于5℃；当初始设计结构不满足上述设计要求时，执行优化模块，当初始设计结构满足上述设计要求时，执行进出口设计模块和测温点选取模块；优化模块：优化反应器内部流道；具体包括：首先将折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔的面积、折流板内径、折流板外径、折流板间距和中心管尺寸逐一作为敏感性因素进行敏感性分析，然后根据分析结果，优化每个敏感性因素的大小；进出口设计模块：设计换热介质的出口和入口的流量分配板开孔率；具体为：通过计算流体力学的方法，确定外循环错流模型下不等面积的流量分配板尺寸的分布规律；在选取开孔直径为定值的前提下，获得不等面积流量分配板上的开孔率，对进入反应器的流量进行调节；最终得到开孔率s的规律为：s=0.0024x2+0.0156x+0.3161；其中，s为开孔率，x为流量分配板中心线和入口管中心线之间的夹角或流量分配板中心线和出口管中心线之间的夹角；测温点选取模块：在熔盐泵正常流量的60%～100%范围内，更改s102中的熔盐流量，重复计算得到若干个温度场；根据得到的各个温度场，选取温度最高点截面、径向温差最高点截面设置测温点；
流道设计模块：完成顺酐反应器流道设计；具体包括：将折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔尺寸、折流板内径、折流板外径、折流板间距、中心管尺寸、出口和入口的流量分配板开孔率的数值作为顺酐反应器施工设计的数据。
11.本发明的第三目的是提供一种信息数据处理终端，用于实现上述顺酐反应器的设计方法。
12.本发明具有的优点和积极效果是：本发明采用计算流体力学方法，建立顺酐反应器的三维流场计算模型，采用多孔介质建模的方法进行流场分析，并进行流场和温度场的耦合计算，通过调节动量方程和能量方程的松弛因子，确保计算的收敛性，获得可视化的顺酐反应器流场和温度场分布，并对顺酐反应器结构进行迭代优化，提高顺酐反应器管束区的流场和温度场的均匀性；本发明能够获得可视化的顺酐反应器的流场和温度场分布，并对顺酐反应器结构进行迭代优化，通过分析顺酐反应器三维流场计算模型的计算结果，获取顺酐反应器关键位置的流场信息（如进出口流量分配板、折流板），以提高顺酐反应器管束区流场和温度场均匀性为优化目标，对进出口流量分配板的开孔尺寸和数量、折流板的开孔尺寸和数量进行迭代，最终获得管束区流场和温度场分布更加均匀的顺酐反应器几何结构；本发明中的realizable k-e湍流模型采用雷诺平均方法模拟湍流，而realizable k-e湍流模型属于雷诺平均方法的其中一类。将流体的瞬态运动分解为平均运动和脉动运动，其中脉动项采用雷诺应力体现，再根据涡粘模型假设，引入湍动能和湍流耗散率模拟雷诺应力对流动的影响；本发明中的two-layer all y+ treatment壁面函数在受到流体粘性影响较大的壁面附近，采用半经验公式计算壁面与充分发展湍流区域之间的粘性影响区域；通过采用上述技术方案，特别是动量方程中松弛因子的调节方法和流场-温度场耦合分析方法，确保顺酐反应器流场仿真计算的收敛性，并获得顺酐器内可视化的流场分布和管束区的温度场分布，随后根据计算获得的流场分布和温度场分布对顺酐反应器的结构进行优化，使得顺酐反应器管束区的流场和温度场更加均匀，提高顺酐反应器的性能。
附图说明
13.图1为顺酐反应器的结构图；图2为本技术优选实施例中构建的计算模型；图3为本技术优选实施例中网格模型的示意图；图4为本技术优选实施例中顺酐反应器的流线图；图5为本技术优选实施例中出口截面的速度云图；图6为本技术优选实施例中流量分配板处速度分布云图；图7为本技术优选实施例中反应管催化剂填装图；图8为本技术优选实施例的流程图；图9为本技术优选实施例中吸热-放热曲线。
具体实施方式
14.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.velocity:magnitude(m/s)为速度大小；请参阅图1至图9。
16.一种顺酐反应器的设计方法，如图1所示：顺酐反应器包括圆柱形的空腔壳体，在空腔壳体的内腔设置有环形结构的折流板和中心管，在空腔壳体的侧壁开设有左右对称的入口管和出口管；上述顺酐反应器的设计方法包括如下步骤：s1、计算顺酐反应器模型的流场和温度场；具体包括：s101、获取计算流体力学分析模型；具体为：首先，根据顺酐反应器结构，建立计算流体力学分析模型；采用三维建模软件autodesk inventor构建顺酐反应器的三维流场计算模型，顺酐反应器的三维流场计算模型与实体模型结构和尺寸一致，通过布尔运算，取出三维流场计算模型中的流场区域，构建流体域模型；然后，由于顺酐反应器总体呈现沿中心圆筒的x平面和y平面的对称结构，所述空腔壳体的中心轴位于x平面和y平面内，且x平面和y平面相互垂直，因此将流体域模型沿x平面和y平面进行切割，得到其的1/4的流体域模，即顺酐反应器的计算流体力学分析模型，这样在不影响计算精度的情况下可以减小计算规模，从而提高计算效率。构建的计算模型如图2所示；最后，将计算模型导出为.stp格式用于网格划分；具体为：对流体区域进行网格划分；在对计算流体力学分析模型的流场进行分析之前，需要对计算区域在空间上进行网格划分，网格划分采用star-ccm+软件进行，采用非结构化的多面体网格。按照流通区域可以将计算流体力学分析模型划分为：进口接管区、进口流量分配板区、管束区、折流板区、出口流量分配板区和出口管区。为保证获得更准确的顺酐反应器进出口位置和折流板处流动工质的流速分布，在进口流量分配板区、折流板区和出口流量分配板区对网格进行加密。网格模型如图3所示；仿真计算：在完成对计算流体力学分析模型的网格划分后，需要对其进行流场仿真，计算采用star-ccm+软件进行，计算为三维稳态不可压缩流动，工质的密度、运动粘度、定压比热容和导热系数均为随温度变化的函数；s102、设置计算流体力学模型的参数：进口熔盐的质量流量和温度、管束区的阻力、松弛因子；具体为：基于顺酐反应器的运行工况，设置进口熔盐的质量流量和温度；根据顺酐反应器特有的内部管束排布方式，设置管束区的阻力；设置管束区阻力的方法为：根据fluent软件设置管束区多孔介质阻力本构关系，通过同类型设备现场压降数据对压降计算结果进行修正。具体的，根据1万吨、2万吨、2.5万吨产能相同布管规格的压
降实测数据，推导出布管区最小单位管束组合的压降数值的实际数值推导公式，将该公式用于修正流体力学模拟计算中管束区阻力的矫正，得到符合实际工况的管束区的阻力，确保模拟计算关键参数的正确性；根据顺酐反应器管侧的化学反应特性设置管束区的吸热功率和放热功率；吸热功率和放热功率设置方法如下：采用流场和温度场耦合的计算方法，管束区的热源设置采用分布的体积热源。由于顺酐反应器管侧的入口温度为150℃左右，而壳侧的熔盐温度通常超过400℃，因此在顺酐反应器中心轴向1/3以下位置，管侧气体吸收壳侧熔盐和自身化学反应的热量而升温，导致壳侧熔盐温度降低。在顺酐反应器中心轴向1/3以上位置，管侧气体在催化剂的作用下发生放热的化学反应，壳侧熔盐吸收该反应热而升温。壳侧熔盐沿轴向的吸热和放热的体积热源分布根据顺酐催化剂单管试验，将图7各分段测量得到的温度数据进行拟合，获得特有的吸热-放热曲线。在图7中：a表示反应管外径，b表示反应管内径，c表示反应管长度，d表示管板厚度，e表示支撑弹簧高度，f表示顶部空间，g表示底部惰性段高度，h表示催化剂装填高度，i表示顶部惰性段高度，j表示底部空间。
17.s103、根据反应管热负荷试验数据，设置温度场计算的前置关联条件（管束区的吸热功率、放热功率），将温度场与流场进行耦合关联，根据流场的计算结果，模拟出温度场的分布；具体为：流热耦合计算，主要解决流动与结构的换热计算，例如换热器的温度场计算，通过该方法可以获得较为准确的结构表面的对流换热边界条件。使用fluent模块完成流热耦合计算，也可以使用fluent+结构热模块和系统耦合器完成计算，基于ansys workbench平台可以完成单向和双向流热耦合技术。通过将温度场与流场的耦合关联，根据流场的计算结果，模拟出温度场的分布，为设置催化剂测温点提供依据。
18.s104、对流场和温度场进行耦合分析计算：根据顺酐反应器入口的质量流量、熔盐的密度、运动粘度和管束区的流通面积、传热管的直径，计算管束区的雷诺数；根据雷诺数选择流动模型，若雷诺数小于104选择层流模型，若雷诺数不小于104选择湍流模型，通过模拟计算得到速度场分布；根据温度场计算的前置关联条件，得到温度场的分布；具体为：首先对流场进行初步分析，根据顺酐反应器入口的质量流量、熔盐的密度、运动粘度和管束区的流通面积、传热管的直径等参数，计算管束区的雷诺数，计算结果表明，当雷诺数大于104，属于湍流，此时的流动模型采用realizable k-e湍流模型；当雷诺数不大于104，属于层流，采用层流模型；壁面采用无滑移边界，壁面函数采用 two-layer all y+ treatment方法。动量方程添加重力源项，值为9.81 m/s2。边界条件设定为质量流量入口，压力出口。为了确保计算的收敛性，针对动量方程中的速度参数，其松弛因子调节至0.15；针对动量方程中的压力参数，其松弛因子调节至0.03；针对湍动能参数，其松弛因子调节至0.15；针对湍流耗散率参数，其松弛因子调节至0.2；针对能量参数，其松弛因子调节至0.3。计算过程中监测质量、速度、湍动能和湍流耗散率的残差、进出口的压降和温差、计算域的最大速度和最大温度，当上述监测量稳定且波动幅度不大于1%时，认为计算收敛。
19.s105、基于边界条件完成流场和温度场的计算，并获得初始管束区轴向和径向的温度分布，通过选取不同的横向界面和竖向界面，获得轴向温差最大值和径向温差最大值，并判断径向温差最大值和轴向温差最大值是否满足设计要求，所述设计要求为：径向温差最大值是否不大于
±
2℃，轴向温差最大值是否不大于5℃；当初始设计结构不满足上述设
计要求时，执行s2，当初始设计结构满足上述设计要求时，执行s3；s2、优化反应器内部流道；具体包括：首先对流道参数进行敏感性分析，流道参数包括折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔尺寸、折流板内径、折流板外径、折流板间距和中心管尺寸；然后对流道参数敏感性进行大小排序；最后根据敏感性从大到小的排序，调整流道参数；调整完成后返回至s101；s2.1折流板上穿流孔的开孔范围和面积；开孔区域的确定：根据初始顺酐反应器的流速矢量图和温度场可知：在折流板内侧边缘和外侧边缘会产生漩涡，进而在这些区域出现熔盐流动的滞死区，最终导致管束区局部换热不均匀，导致局部温度过热。因此需要在折流板的内侧和外侧设计穿流孔使得部分熔盐从穿流孔流出，避免出现漩涡而造成局部换热不均。通过对穿流孔的直径和数量的敏感性分析和迭代计算，获得最佳的穿流孔设计参数，从而避免流动滞死区和传热恶化的出现。
20.开孔范围和面积的确定：穿流孔的具体设计方法如下：首先通过对初始顺酐反应器结构的流场分析获得漩涡影响的区域，该区域作为需要布置穿流孔的区域，穿流孔的区域以多孔介质的方式加入到顺酐反应器的计算流体力学分析模型中。随后初步选定穿流孔的孔径和数量，通过下式计算穿流孔的多孔介质阻力系数。
[0021][0022]
其中：k1为多孔介质阻力系数，k0为局部阻力系数，a为沿程阻力系数，re为雷诺数，l为折流板厚度，d为穿流孔直径，f0为总的孔内流通面积（即单个孔的面积乘以孔的数量），f1为折流板开孔区域的面积。其中：初步设定的穿流孔的数量和范围是根据以往工程经验，参考顺酐反应器折流板上的开孔直径和范围进行设置的。由于产能及反应器直径、冷却介质流量等参数的不同，以往的工程经验无法直接应用在新设计的反应器中；上述三个计算公式中： re、l、d为已知或已设置的参数，k1、k0、a为需要计算求取的未知数，上述数据是“步骤s102设置管束区的阻力”的关键参数。根据流场、温度场模拟结果，进行判断，径向温差最大值是否不大于
±
2℃，轴向温差最大值是否不大于5℃，如果不满足上述要求，就需要根据计算结果进行评判，选择优化的方向，是增加或是减少孔径（孔径的范围为0~12mm）；增加或减少开孔的范围（调整范围为0~1800mm）；或两个同时调整。当模拟计算结果满足“径向温差最大值是否不大于
±
2℃，轴向温差最大值是否不大于5℃”时，所选取的孔径及开孔范围就是优化解。
[0023]
s2.2调整折流板内径、折流板外径尺寸；s2.3调整折流板间距；s2.4调整中心管尺寸；
s2.2-s2.4 工作内容相同，统一阐述：由于上述参数的调整均为体型参数，需先对上述参数（折流板内径、外径尺寸、折流板间距、中心管尺寸）进行其与温度场数值的敏感性分析，根据敏感系数及其计算过程，按范围和比例调整参数进行反复计算，选取最优解。综合上述影响因素的最优解所获得的管束区轴向和径向的温度分布，通过选取不同的横向和竖向界面，获得轴向温差的最大值和径向温差的最大值，判断是否满足径向温差最大值≤
±
2℃；轴向温差最大值≤5℃的设计要求。若选取值无法满足上述要求时，选取敏感系数高的影响因素进行调整，直至满足上述要求为止。
[0024]
敏感性分析是识别特定参数对最终结果影响程度的有效辅助手段，可以提高模型计算的可靠性和准确性。这里指的特定参数就是指：折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔的面积、折流板内径、折流板外径、折流板间距和中心管尺寸；以出口和入口的流量分配板开孔率（开孔数量）为例；敏感性分析的方法有很多，本方法是以敏感系数作为评判敏感性的依据，敏感系数越高，则该参数与最终结果（温度场数值）的敏感性越高，对计算结果影响越大。
[0025]
敏感系数的计算方法：取倍数关系的5-7个“特定参数”，并根据这些参数计算得到对应的温度场数值。计算温度场数值/对应的“特定参数”，并绘制对应关系的折线图。
[0026]
如果折线斜率的最大值与平均值的比值小于2，则取斜率的平均值作为敏感系数。
[0027]
如果折线斜率的最大值与平均值的比值大于2，则在斜率最大值的数值范围内重复步骤（1）至（3），直至满足步骤（2）。
[0028]
敏感系数的作用：根据敏感系数计算过程，能够确定该“特定参数”在哪个范围和比例内进行调整最为合理。
[0029]
敏感系数的计算结果，能够确定不同的“特定参数”哪个对温度场计算结果影响更大；s3、设计换热介质的出口和入口的流量分配板开孔率（开孔数量）；具体为：通过计算流体力学的方法，确定外循环错流模型下不等面积的流量分配板尺寸的分布规律；在选取开孔直径为定值的前提下，获得不等面积流量分配板上的开孔率，对进入反应器的流量进行调节；最终得到开孔率s的规律为：s=0.0024x2+0.0156x+0.3161；其中，s为开孔率，x为流量分配板中心线和入口管中心线之间的夹角或流量分配板中心线和出口管中心线之间的夹角；单位为度。
[0030]
按照上述规律开孔使得入口和出口处的流量分配均匀，进而消除由于环道处开孔位置不同而造成的熔盐流动的不均匀性。
[0031]
s4、在熔盐泵正常流量的60%～100%范围内，更改熔盐流量，重复计算得到若干个温度场；根据得到的各个温度场，选取温度最高点截面、径向温差最高点截面设置测温点；s5、根据s2中敏感性分析方法，按照熔盐100%流量的工况设计顺酐反应器流道；具体包括：
首先将折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔的面积、折流板内径、折流板外径、折流板间距、中心管尺寸、出口和入口的流量分配板开孔率逐一作为敏感性因素进行敏感性分析，然后根据分析结果，优化得到每个敏感性因素的大小。
[0032]
本发明通过实践数据修正模拟计算核心参数，提高模拟计算的精度和准确性；通常的流体力学仿真模拟计算都是以大型商业软件自带的模型、边界条件为基础的，往往缺乏实践验证，用于大型反应器模拟计算时，容易“失真”，无法直接用于指导设计。本发明在计算的关键参数和节点上，通过采用实践数据“矫正”的方法，使模拟结果更加接近于实际工况，能够更好的指导工程设计。具体包括对
①
多孔介质阻力的修正
②
流场-温度场耦合的修正。
[0033]
本发明利用计算流体动力学模拟的方式，优化了流量分配板设计计算方法。
[0034]
传统的设计方法是根据动量距定理进行公式推导，得出流量分配板尺寸的理论推导数值。这种方法仅从入口管道几何尺寸、流量分配板所对应的角度等因素去考虑，通过控制流量分配板上开孔率（开孔面积）来使流体通过流量分配板之后的压降值相同的方法，达到使流体分配均匀的目的。不同直径、不同布管规律、折流板上穿流孔的分布范围等参数均会造成内部区域阻力的变化，进而影响上述计算方法的准确性。本设计方法通过模拟计算迭代之后，获得优化后流场的阻力等参数，并使用这一参数对上述公式进行计算修正，再对出入口的流量分配板进行开孔尺寸计算，相对于传统的计算方法，更加合理和精准。
[0035]
本发明通过调整下列参数：
①
折流板上穿流孔的开孔范围和尺寸；
②
折流板内径、外径尺寸；
③
折流板间距；
④
中心管尺寸；
⑤
熔盐出、入口流量分配板尺寸；对顺酐反应器内部流场、温度场进行优化设计；本发明通过改变折流板开穿流孔区域局部多孔介质阻力、调整松弛因子的方式，实现降低原有超大规模网格模型计算量，保证计算收敛的目的。
[0036]
本技术对顺酐反应器的计算模型进行后处理中，采用star-ccm+软件进行，获得顺酐反应器的流线图、各截面的速度分布、进出口流量分配板的流速分布等流场信息以及管束区的温度分布等信息。顺酐反应器的流线如图4所示，出口截面的速度云图如图5所示，这些流场和温度场计算结果对顺酐反应器的结构优化具有重要的参考价值。
[0037]
以上针对顺酐反应器的流场-温度场耦合仿真计算可以获得可视化的流场和温度场分析结果，更重要的是获得折流板区和进出口流量分配板区域的精细化的流场信息以及管束区的温度场信息，为顺酐反应器的结构优化提供理论依据。
[0038]
本技术根据顺酐反应器的压力、温度、流量等边界条件，使用通用的计算流体力学软件进行计算，并通过后处理获得反应器内部熔盐流动的流场和温度场，包括进出口流量分配板位置的流速分布、折流板区域流速分布、管束区温度场分布等信息，用于顺酐反应器的评估。
[0039]
流场和温度场耦合计算：顺酐反应器管束区的化学反应放热通过在能量方程中添加热源项实现，该热源项的形式为单位体积单位时间的发热量，该热源随空间位置的变化以拟合函数的形式添加到能量方程中。
[0040]
一种顺酐反应器流场设计系统，用于执行上述的设计方法，包括：计算模块：计算顺酐反应器模型的流场和温度场；具体包括：s101、根据顺酐反应器结构，建立计算流体力学模型；
s102、设置计算流体力学模型的参数：进口熔盐的质量流量和温度、管束区的阻力、松弛因子；具体为：基于顺酐反应器的运行工况，设置进口熔盐的质量流量和温度；根据顺酐反应器内部的管束排布方式，设置管束区的阻力；s103、根据反应管热负荷试验数据，设置温度场计算的前置关联条件；根据试验得到的顺酐反应器管侧的化学反应特性，设置管束区的吸热功率、放热功率。
[0041]
s104、对流场和温度场进行耦合分析计算：根据顺酐反应器入口的质量流量、熔盐的密度、运动粘度和管束区的流通面积、传热管的直径，计算管束区的雷诺数；根据雷诺数选择流动模型，若雷诺数小于104选择层流模型，若雷诺数不小于104选择湍流模型，通过模拟计算得到速度场分布；根据温度场计算的前置关联条件，得到温度场的分布；本实施例中，壁面采用无滑移边界，壁面函数采用two-layer all y+ treatment；动量方程添加重力源项；边界条件设定为质量流量入口、压力出口；将动量方程中速度参数的松弛因子调节至0.15；将动量方程中压力参数的松弛因子调节至0.03；将湍动能参数的松弛因子调节至0.15；将湍流耗散率参数的松弛因子调节至0.2；将能量参数的松弛因子调节至0.3；计算过程中监测质量、速度、湍动能和湍流耗散率的残差、进出口的压降和温差、计算域的最大速度和最大温度，当监测量稳定且波动幅度不大于1%时，认为计算收敛；s105、基于边界条件完成流场和温度场的计算，并获得初始管束区轴向和径向的温度分布，通过选取不同的横向界面和竖向界面，获得轴向温差最大值和径向温差最大值，并判断径向温差最大值和轴向温差最大值是否满足设计要求，所述设计要求为：径向温差最大值是否不大于
±
2℃，轴向温差最大值是否不大于5℃；当初始设计结构不满足上述设计要求时，执行优化模块，当初始设计结构满足上述设计要求时，执行进出口设计模块；优化模块：优化反应器内部流道；具体包括：首先对流道参数进行敏感性分析，流道参数包括折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔尺寸、折流板内径、折流板外径、折流板间距和中心管尺寸；然后对流道参数敏感性进行大小排序；最后根据敏感性从大到小的排序，调整流道参数；调整完成后返回至s101；进出口设计模块：设计换热介质的出口和入口的流量分配板；具体为：通过计算流体力学的方法，确定外循环错流模型下不等面积的流量分配板尺寸的分布规律；在选取开孔直径为定值的前提下，获得不等面积流量分配板上的开孔率，对进入反应器的流量进行调节；最终得到开孔率s的规律为：s=0.0024x2+0.0156x+0.3161；其中，s为开孔率，x为流量分配板中心线和入口管中心线之间的夹角或流量分配板中心线和出口管中心线之间的夹角；测温点选取模块：在熔盐泵正常流量的60%～100%范围内，更改熔盐流量，重复计算得到若干个温度场；根据得到的各个温度场，选取温度最高点截面、径向温差最高点截面设置测温点；流道设计模块：完成顺酐反应器流道设计；具体包括：将折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔尺寸、折流板内径、折流板外径、折流板间距、中心管尺寸、出口和入口的流量分配板开孔率的数值作为顺酐反应器施工设
计的数据。
[0042]
一种信息数据处理终端，用于实现上述顺酐反应器的设计方法。
[0043]
一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述顺酐反应器的设计方法。
[0044]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl) 或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行 传输)。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0045]
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种顺酐反应器的设计方法，其特征在于，包括：s1、计算顺酐反应器模型的流场和温度场；具体包括：s101、根据顺酐反应器结构，建立计算流体力学模型；s102、设置计算流体力学模型的参数：进口熔盐的质量流量和温度、管束区的阻力、松弛因子；s103、根据反应管热负荷试验数据，设置温度场计算的前置关联条件；s104、对流场和温度场进行耦合分析计算：根据顺酐反应器入口的质量流量、熔盐的密度、运动粘度和管束区的流通面积、传热管的直径，计算管束区的雷诺数；根据雷诺数选择流动模型，若雷诺数小于104选择层流模型，若雷诺数不小于104选择湍流模型，通过模拟计算得到速度场分布；根据温度场计算的前置关联条件，得到温度场的分布；s105、基于边界条件完成流场和温度场的计算，并获得初始管束区轴向和径向的温度分布，通过选取不同的横向界面和竖向界面，获得轴向温差最大值和径向温差最大值，并判断径向温差最大值和轴向温差最大值是否满足设计要求，所述设计要求为：径向温差最大值是否不大于
±
2℃，轴向温差最大值是否不大于5℃；当初始设计结构不满足上述设计要求时，执行s2，当初始设计结构满足上述设计要求时，执行s3；s2、优化反应器内部流道；具体包括：首先对流道参数进行敏感性分析，流道参数包括折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔尺寸、折流板内径、折流板外径、折流板间距和中心管尺寸；然后对流道参数敏感性进行大小排序；最后根据敏感性从大到小的排序，调整流道参数；调整完成后返回至s101；s3、设计换热介质的出口和入口的流量分配板；具体为：通过计算流体力学的方法，确定外循环错流模型下不等面积的流量分配板尺寸的分布规律；在选取开孔直径为定值的前提下，获得不等面积流量分配板上的开孔率，对进入反应器的流量进行调节；最终得到开孔率s的规律为：s=0.0024x2+0.0156x+0.3161；其中，s为开孔率，x为流量分配板中心线和入口管中心线之间的夹角或流量分配板中心线和出口管中心线之间的夹角；s4、在熔盐泵正常流量的60%～100%范围内，更改熔盐流量，重复计算得到若干个温度场；根据得到的各个温度场，选取温度最高点截面、径向温差最高点截面设置测温点；s5、完成顺酐反应器流道设计；具体包括：将折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔尺寸、折流板内径、折流板外径、折流板间距、中心管尺寸、出口和入口的流量分配板开孔率的数值作为顺酐反应器施工设计的数据。2.根据权利要求1所述的顺酐反应器的设计方法，其特征在于，所述顺酐反应器包括圆柱形的空腔壳体，在空腔壳体的内腔设置有环形结构的折流板和中心管，在空腔壳体的侧壁开设有左右对称的入口管和出口管；s101具体为：s1011、建立顺酐反应器的三维流场计算模型；s1012、通过布尔运算，提取三维流场计算模型中的流体域模型；
s1013、将流体域模型沿x平面和y平面进行切割，得到1/4的流体域模型作为计算流体力学分析模型；所述空腔壳体的中心轴位于x平面和y平面内，且x平面和y平面相互垂直。3.根据权利要求1所述的顺酐反应器的设计方法，其特征在于，s102具体为：基于顺酐反应器的运行工况，设置进口熔盐的质量流量和温度；根据顺酐反应器内部的管束排布方式，设置管束区的阻力；s103具体为：根据反应管热负荷试验数据，设置管束区的吸热功率、放热功率。4.根据权利要求1所述的顺酐反应器的设计方法，其特征在于，s104中，壁面采用无滑移边界，壁面函数采用two-layer all y+ treatment；动量方程添加重力源项；边界条件设定为质量流量入口、压力出口；将动量方程中速度参数的松弛因子调节至0.15；将动量方程中压力参数的松弛因子调节至0.03；将湍动能参数的松弛因子调节至0.15；将湍流耗散率参数的松弛因子调节至0.2；将能量参数的松弛因子调节至0.3；计算过程中监测质量、速度、湍动能和湍流耗散率的残差、进出口的压降和温差、计算域的最大速度和最大温度，当监测量稳定且波动幅度不大于1%时，认为计算收敛。5.一种顺酐反应器的设计系统，其特征在于，包括：计算模块：计算顺酐反应器模型的流场和温度场；具体包括：s101、根据顺酐反应器结构，建立计算流体力学模型；s102、设置计算流体力学模型的参数：进口熔盐的质量流量和温度、管束区的阻力、松弛因子；s103、根据反应管热负荷试验数据，设置温度场计算的前置关联条件；s104、对流场和温度场进行耦合分析计算：根据顺酐反应器入口的质量流量、熔盐的密度、运动粘度和管束区的流通面积、传热管的直径，计算管束区的雷诺数；根据雷诺数选择流动模型，若雷诺数小于104选择层流模型，若雷诺数不小于104选择湍流模型，通过模拟计算得到速度场分布；根据温度场计算的前置关联条件，得到温度场的分布；s105、基于边界条件完成流场和温度场的计算，并获得初始管束区轴向和径向的温度分布，通过选取不同的横向界面和竖向界面，获得轴向温差最大值和径向温差最大值，并判断径向温差最大值和轴向温差最大值是否满足设计要求，所述设计要求为：径向温差最大值是否不大于
±
2℃，轴向温差最大值是否不大于5℃；当初始设计结构不满足上述设计要求时，执行优化模块，当初始设计结构满足上述设计要求时，执行进出口设计模块；优化模块：优化反应器内部流道；具体包括：首先对流道参数进行敏感性分析，流道参数包括折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔尺寸、折流板内径、折流板外径、折流板间距和中心管尺寸；然后对流道参数敏感性进行大小排序；最后根据敏感性从大到小的排序，调整流道参数；调整完成后返回至s101；进出口设计模块：设计换热介质的出口和入口的流量分配板；具体为：通过计算流体力学的方法，确定外循环错流模型下不等面积的流量分配板尺寸的分布规律；在选取开孔直径为定值的前提下，获得不等面积流量分配板上的开孔率，对进入反应器的流量进行调节；最终得到开孔率s的规律为：s=0.0024x2+0.0156x+0.3161；其中，s为开孔率，x为流量分配板中心线和入口管中心线之间的夹角或流量分配板中
心线和出口管中心线之间的夹角；测温点选取模块：在熔盐泵正常流量的60%～100%范围内，更改熔盐流量，重复计算得到若干个温度场；根据得到的各个温度场，选取温度最高点截面、径向温差最高点截面设置测温点；流道设计模块：完成顺酐反应器流道设计；具体包括：将折流板上穿流孔的开孔范围、折流板上穿流孔尺寸、折流板内径、折流板外径、折流板间距、中心管尺寸、出口和入口的流量分配板开孔率的数值作为顺酐反应器施工设计的数据。6.根据权利要求5所述的顺酐反应器的设计系统，其特征在于，所述顺酐反应器包括圆柱形的空腔壳体，在空腔壳体的内腔设置有环形结构的折流板和中心管，在空腔壳体的侧壁开设有左右对称的入口管和出口管；s101具体为：s1011、建立顺酐反应器的三维流场计算模型；s1012、通过布尔运算，提取三维流场计算模型中的流体域模型；s1013、将流体域模型沿x平面和y平面进行切割，得到1/4的流体域模型作为计算流体力学分析模型；所述空腔壳体的中心轴位于x平面和y平面内，且x平面和y平面相互垂直。7.根据权利要求5所述的顺酐反应器的设计系统，其特征在于，s102具体为：基于顺酐反应器的运行工况，设置进口熔盐的质量流量和温度；根据顺酐反应器内部的管束排布方式，设置管束区的阻力；s103具体为：根据反应管热负荷试验数据，设置管束区的吸热功率、放热功率。8.根据权利要求5所述的顺酐反应器的设计系统，其特征在于，s104中，壁面采用无滑移边界，壁面函数采用two-layer all y+ treatment；动量方程添加重力源项；边界条件设定为质量流量入口、压力出口；将动量方程中速度参数的松弛因子调节至0.15；将动量方程中压力参数的松弛因子调节至0.03；将湍动能参数的松弛因子调节至0.15；将湍流耗散率参数的松弛因子调节至0.2；将能量参数的松弛因子调节至0.3；计算过程中监测质量、速度、湍动能和湍流耗散率的残差、进出口的压降和温差、计算域的最大速度和最大温度，当监测量稳定且波动幅度不大于1%时，认为计算收敛。9.一种信息数据处理终端，其特征在于，用于实现权利要求1-4任一项所述的顺酐反应器的设计方法。

技术总结
本发明公开了一种顺酐反应器的设计方法、设计系统及信息数据处理终端，包括：S1、计算顺酐反应器模型的流场和温度场；S2、优化反应器内部流道；S3、设计换热介质的出口和入口的流量分配板；S4、在熔盐泵正常流量的60%～100%范围内，更改熔盐流量，重复计算得到若干个温度场；根据得到的各个温度场，选取温度最高点截面、径向温差最高点截面设置测温点；S5、完成顺酐反应器流道设计。本发明通过对顺酐反应器的流场-温度场耦合仿真分析，获得顺酐反应器内的流场、温度场分布，并根据这些流场和温度场信息，对顺酐反应器的结构进行优化，确保顺酐反应器的管束区流场和温度场的均匀性。反应器的管束区流场和温度场的均匀性。反应器的管束区流场和温度场的均匀性。


技术研发人员：张彦斌 詹宏智 王淑梅 柏萌 胡小营 万玉辉
受保护的技术使用者：天津渤化工程有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/7/12