《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Design and optimization of a bionic starfish-inspired inlet configuration static mixer using response surface methodology for efficient natural gas-hydrogen mixing
编辑推荐：
氢气掺混天然气的静态混合器优化研究，提出仿星鱼结构混合器并建立C2-C5烃类与氢气协同作用计算模型，通过响应面法优化发现流速5-20m/s、掺混比10%-30%显著影响混合均匀度与压力损失，在0.1897%压力损失下实现99.13%均匀度，较基准提升42.45%。
闫高|卢斌|张晓旭|严军|王崇明|田国红|Delika M. Weragoda|Arman Burkitbayev|赵旭东
山东建筑大学热能工程学院，济南250101，中国
摘要
氢气混合天然气技术对于低碳能源转型至关重要，但混合不均匀和氢脆等问题阻碍了其广泛应用。本研究提出了一种受海星启发的静态混合器，以提高混合效率和安全性。通过引入C2-C5烃类和氢气的协同作用，计算模型的变异性系数（COV）和压降模拟的准确性分别提高了11.29%和5.45%。该混合器实现了99.13%的混合均匀度，同时压降仅为0.1897%；优化的流场有效减轻了氢脆现象。响应面法（RSM）将混合均匀度进一步提高至99.34%，并将压降降低了42.45%。流速和氢气混合比例（HBR）对混合性能有显著影响，而压力波动的影响较小。流速从5 m/s增加到20 m/s时，均匀度下降了0.49%，但压降增加了14倍；氢气混合比例从10%增加到30%时，均匀度下降了0.51%，压降增加了38.5%。压力在0.2至0.8 MPa范围内变化时，均匀度仅波动了0.27%，压降变化了0.05%。本研究为氢气-天然气系统提供了数据模型和优化策略，有助于氢能基础设施建设和低碳能源转型。
引言
目前，全球能源消费仍以化石燃料为主，占比约80%，这导致碳排放持续增加，加剧了气候变化和环境污染[1,2]。氢作为一种零碳能源载体，燃烧后仅产生水，并且可以从可再生能源中生成，从而实现整个生命周期内的零排放[3]。迄今为止，已有30多个国家将氢能纳入国家能源战略，推动其在工业和交通领域的应用。在政策支持和技术进步的推动下，绿色氢的成本持续下降，预计将在未来的全球能源转型中发挥关键作用[4,5]。氢能产业链的大规模发展严重依赖于高效且安全的运输技术[6]。纯氢运输面临诸多瓶颈：长距离管道运输受氢脆问题的限制和成本高昂；液态氢解决方案则受高能耗和低温设备需求的制约[7,8]。在这种情况下，将氢气混合到现有天然气管道中具有明显优势[9]。这种方法只需对管道网络进行适度改造，大幅降低投资成本，并能在保持可控混合比例的同时立即减少碳排放，不影响设备运行。该模型也为未来向专用氢气管道的过渡奠定了技术基础。
氢气混合天然气技术已成为低碳能源转型的关键途径，全球已有超过50个示范项目在运行[10]。例如英国的HyDeploy计划、法国的GRHYD项目以及中国的SPIC朝阳示范项目，均验证了现有管道基础设施在氢气混合浓度低于20%体积阈值时的技术兼容性[11]。然而，这项技术的大规模推广面临一系列技术挑战，其中氢气和甲烷密度差异导致的混合不均匀问题尤为突出[12]。在运输过程中，氢气由于密度较低，容易在管道顶部积聚，从而显著增加局部氢气分压[13]。这种较高的分压增强了氢气渗透金属的驱动力。在管道的工作应力下，氢原子会在晶界和微观缺陷处聚集，降低材料塑性并缩短疲劳寿命，从而引发氢脆风险[14,15]。在极端情况下，可能导致管道突然断裂。此外，混合不均匀还会导致终端燃烧设备进气成分波动，影响燃烧稳定性[16,17]，进而增加污染物生成并导致热值输出不稳定，最终影响能源利用设备的运行性能[18]。
静态混合器是一种无运动部件的管道嵌入式装置，通过特定的几何结构设计，在流体流动过程中实现切割、旋转和重组，从而实现高效混合。这种设备结构紧凑、能耗低且无需维护，广泛应用于化工、石油和食品生产等行业的气-液或气-气混合过程[19],[20],[21]。由于氢气和天然气物理性质差异导致的混合不均匀问题，静态混合器在天然气-氢气混合领域得到广泛应用[22]。传统的T形管道静态混合器存在混合不均匀和压降高的问题，尤其无法适应氢气的高扩散性。近年来，随着氢能产业的快速发展，学术界积极开展关于静态混合器在天然气-氢气混合系统中的应用研究。Xu等人[23]设计了同轴剪切静态混合器，系统研究了结构参数和操作条件对天然气-氢气混合的影响，并与SMX混合器进行了性能比较；Ma等人[24]研究了混合元件数量、操作条件和氢气混合比例（HBR）对SMX静态混合器中氢气-天然气混合特性的影响，并提出了优化策略；Yang等人[25]对五种静态混合器中的氢气-天然气混合进行了数值模拟，分析流速、混合比例和结构参数的影响，发现扭转角是最关键因素，并证实了新型LPD混合器的优越性能；Ali等人[26]设计了可更换内部节流套的模块化静态混合器，既能保证均匀混合和低压降，又在实际工程项目中证明了其可行性。
响应面法（RSM）是一种基于统计的优化方法，通过构建数学模型来描述自变量和响应变量之间的非线性关系，并研究多因素相互作用[27],[28],[29]。目前，管道工程领域的研究人员已应用RSM优化水平管道中的物料输送条件，Ram等人[30]通过RSM优化了水平管道的输送参数，显著降低了弯头压降，表明该方法可将压降降低多达15%；Song等人[31]利用RSM建立了地下储气钢管道的腐蚀预测模型，基于关键影响因素建立了二次回归方程，证明了该模型在评估多个管道样本腐蚀水平方面的高准确性。
以往的研究往往将天然气简化为纯甲烷，忽略了其实际成分复杂性对混合流场的影响，导致预测精度不足。氢气注入通常采用T形接头或弯头结构，容易导致氢气在靠近管壁的区域积聚，从而增加局部氢气分压，引发氢脆风险。混合元件的优化主要集中在单一参数上，缺乏多参数协同作用的系统研究，限制了混合器的性能潜力。
本研究设计了一种受海星启发的静态混合器，并采用RSM优化了其混合元件，为氢气混合天然气管道系统的结构设计和安全运行提供了参考。
部分内容片段
几何模型
本研究设计了一种新型静态混合器，以满足城市天然气分配管道中的氢气-天然气混合工程需求，这些管道将天然气输送到城市内部管网，再最终交付给用户。混合器的主管直径为273毫米，总长度为12D（3276毫米）。氢气注入口与天然气入口的水平间距为2D（546毫米），下游之前保留了相应的2D距离
天然气成分对混合性能的影响
在氢气混合天然气的运输过程中，气体混合物的物理性质直接影响氢气的扩散和混合特性。实际天然气主要由CH4组成，含有少量重质烃类，因此其在密度和粘度等关键物理参数上与纯CH4系统存在差异。为了研究天然气成分对氢气混合特性的影响，采用了T1型静态混合器
结论
氢气混合天然气技术是实现低碳能源转型的关键创新。本研究提出了一种受海星启发的静态混合器，并通过RSM优化了其混合元件，以实现天然气管道中氢气的均匀混合。研究结果为氢气混合天然气管道的工程设计提供了依据和参考。
CRediT作者贡献声明
闫高：撰写初稿、资源获取、项目管理、方法论制定、资金筹措、概念构思。卢斌：撰写初稿、验证、方法论制定、数据管理、概念构思。张晓旭：资源协调、方法论制定。严军：撰写、审稿与编辑、验证。王崇明：验证。田国红：监督指导。Delika M. Weragoda：实验研究。Arman Burkitbayev：资源协调。赵旭东：监督指导。
