多孔喷嘴配置对氢氯合成反应器热力学特性的协同效应

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Synergistic effects of porous nozzle configurations on thermodynamic characteristic in the hydrogen-chlorine synthesis reactor

　　

• •
  热力学分析显示，反应器的熵效率达到了41.08％。
• •
  多参数优化平衡了燃烧效率和热效率。
• •
  小喷嘴的多孔结构限制了反应物的混合和转化。
• •
  优化的多孔结构提高了HCl的纯度和热回收性能。

引言

在当前碳中和的背景下，化工行业的高能耗问题日益突出。在实现有效生产的同时提高能源利用效率已成为一项紧迫的任务[1][2]。作为关键的零碳能源载体和化学原料，氢在重化工制造中发挥着重要作用[3][4]。在合成盐酸（HCl）的过程中，氢（H₂）和氯（Cl₂）的燃烧反应不仅是HCl生产的主要途径，也是展示H₂在化工制造中重要性的关键环节。尽管这一过程在工业上得到了广泛应用，但它本质上存在产品纯度低和热效率低的问题，导致产品质量下降以及高品位燃烧热能的严重浪费。

在这种通常采用的非预混燃烧配置中，氢和氯通过不同的管道进入反应器的燃烧室。这种进气方式决定了反应气体的流动动态，从而对转化效率和传热性能产生重要影响[5][6][7]。为了优化气体分布，多孔喷嘴作为一种有前景的进气方式应运而生。我们之前的研究表明，使用多孔喷嘴可以改善HCl合成反应器中的燃烧和传热效果[8]。基于这些发现，反应器的综合性能对多孔喷嘴的具体结构配置非常敏感[9][10]。因此，系统地调节多孔特性以最大化转化效率和热能回收之间的协同作用已成为先进反应器设计的主要关注点。

在化学工程中，喷嘴几何形状的主要功能是增强反应器内部的反应物混合，从而促进反应动力学[11][12]。在这个框架下，多孔喷嘴区域决定了反应物和热梯度的局部分布，使其结构配置成为工业HCl合成中转化效率和传热的关键决定因素。以往关于喷嘴喷射性能的研究主要关注了单个几何特征，特别是孔径[13]和横截面轮廓[14][15]。Fu等人[16]开发了一个数值模型，证明增加氢喷嘴的直径会延长氢沿气流方向的扩散时间。Kevin等人[17]评估了喷嘴几何形状对氢混合和燃烧的影响，发现虽然较高的孔密度可以改善混合效果，但适度减少孔的数量可以获得更优的综合性能。然而，这些研究大多局限于小型反应器，并且主要关注孔的大小和形状等孤立参数。对于大规模工业反应器中整个多孔区域如何控制气体流动动态和传热的系统研究仍然不足。

为了系统地优化这些多因素系统，已经采用了多种方法，如田口正交设计[18][19]、响应面方法[20][21]和机器学习[22]来进行敏感性评估。其中，田口正交设计是一种非常有效的工具，在燃烧优化中广受欢迎，因为它能够以最少的计算次数分离出主要参数[23][24]。尽管这种方法为结构优化提供了一个成熟的方法框架，但其应用于工业H₂-Cl₂合成反应器中多孔喷嘴的配置还有待验证。为了解决这个问题，本研究将CFD模拟与田口正交设计相结合，以确定能够同时最大化燃烧效率和热回收的最佳多孔喷嘴布局。

基于上述对喷嘴几何形状和优化方法的综述，本研究系统地研究了多孔喷嘴参数和双通道进气配置对大规模HCl合成反应器中燃烧和传热性能的耦合效应。通过结合熵产生分析来量化局部不可逆损失，并使用田口正交方法处理多因素设计，建立了一个多目标优化框架来确定最佳的设计组合。在这个框架内，明确了关键多孔特性对气体传输、反应物混合和热回收的支配作用。最终，这种综合方法解决了非预混反应器中的多目标权衡问题，为化工行业的反应器性能优化提供了可靠的工程指导。

章节摘录

物理模型

本研究中的HCl合成反应器及其安装的多孔喷嘴的结构如图1所示。由于氢和氯的危险性以及接触时发生爆炸的高风险，这两种气体通过不同的进料管进入燃烧室。多孔喷嘴安装在燃烧室入口处的中央氯通道中，旨在增强氯的扩散并提高燃烧效率。

喷嘴厚度对燃烧和熵特性的影响

喷嘴的厚度显著影响氯气（Cl₂）的流动，这又对反应气体的扩散效应产生重要影响。图4展示了不同喷嘴厚度下反应器内不同高度处的Cl₂浓度分布。可以看出，燃烧室内的Cl₂分布与喷嘴厚度的变化一致，主要集中在燃烧室的中间部分。

结论

本研究全面探讨了喷嘴多孔特性对氢/氯燃烧和热能管理的影响。为了有效地探索多目标设计空间，确定了最佳参数组合及其对每个性能目标的定量贡献。主要研究结果总结如下：

• (1)
  降低喷嘴多孔区域的高度可以有效增强燃烧和热能管理

CRediT作者贡献声明

王云聪：撰写——初稿、方法论、研究、概念化。李明：资源获取、项目管理。陈军：撰写——审稿与编辑。王俊飞：撰写——审稿与编辑。李晓峰：撰写——审稿与编辑、方法论、数据管理。

[33]。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（2022YFE0208000）和CRRC集团（2023CGY004-2）对本文工作的财务支持。

王云聪 | 李明 | 陈军 | 王俊飞 | 李晓峰