文献综述（或调研报告）：
高性能含能材料是生产制造混合炸药、发射药、固体推进剂的基本材料，其多由化学合成的方法制造，化学合成中常常用到硝化反应过程。但硝化反应过程是一个强放热反应，易发生失控，是国家首批重点监管的 15 种危险化工工艺之一。化工工艺过程的总体本质安全包括原料、反应本身、工艺条件以及反应装置等方面。
管式反应器出现于20世纪中叶，是应用较多的一种连续操作反应器，常用的管式反应器有水平管式反应器、立管式反应器、盘管式反应器和U形管式反应器等型式。由于管式反应器结构简单、加工方便；返混小、收率高；耐高压、传热面积大，特别适用于强烈放热和加压下的反应；易实现自动控制、生产连续化程度高、节省动力、生产能力高等特点，因此广泛用于气相、均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应。
管式反应器的设计，起初都是采用经验方法，经验设计的局限性很大，只能在相近条件下估算反应器的体积。如果改变反应过程的工艺条件或改变反应器结构，以改进反应器的设计，或者进一步确定反应器的最优结构、最优操作条件，经验设计是不适用的。数学模型方法是一种比较理想的反应器放大方法，其实质是通过数学模型来设计化学过程本质的动力学模型和反映传递过程特性的传递模型，预测不同规模的反应器工况，优化反应器操作条件。管式反应器设计的基本内容是：选择合适的反应器型式；确定最佳的工艺条件；计算需要的反应器体积。设计计算中所应用的基本方程式是物料衡算式、热量衡算式和反应动力学方程式。反应过程如有较大的压力降、管长很长并影响反应速度时，还要加上动量衡算式。通过各方程的计算，可得到平推流管式反应器的设计方程。
与流体输送、换热、传质分离等设备相比，反应器通常在放大过程中更易出现“放大效应”。对于管式反应器，虽然也会遇到放大过程中的一系列问题。若要保证放大前后物料的流动状况相同，则需保持Re相同。若要保持放大前后系统的几何相似，则需物料流动的停留时间分布函数相同，当压强前后变化不大时，停留时间可以用总体积除以体积流量来计算。气相反应时，管长远大于管径时，而且产的压强变化又影响反应器内的总压时，除了保证放大前后两反应系统具有相同的平均停留时间和相同的停留时间分布函数之外，还必须保证压强的变化值相同，要满足这一要求时，则不一定能够满足大小两反应系统的几何相似条件，此时可以暂不考虑几何相似性。但是整体上由于管式反应器相对尺寸小，换热效率较高，在保证反应物停留时间和无因次特征准数不变的前提下，可以采用“数目放大”来代替单纯尺寸的逐级放大，降低“放大效应”对反应过程的影响。通过使用“数目放大”代替尺寸放大的方法来提高产量通常能够取得较好的效果。
近年来，随着计算流体动力学的发展，FLUENT、COMSOL Multiphysics等CFD软件的开发与普及，该方法在管式反应器的模拟计算中也得到了应用，研究者通常借助模拟手段对管内的流场和反应情况进行综合分析，与实验结果进行对比，建立模拟方法，从而指导实际管式反应器设计与放大。
本课题借助MATLAB、CFD等软件对硝化反应等合理建模，尽可能消除或降低硝化过程中的危害元素，为硝化反应的反应工况、操作条件提供一系列指导性的参数。
参考文献：
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