氯化氫合成爐的數(shù)值模擬分析

張保森，郭培紅，朱建安

（1.河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.昊華宇航化工有限責(zé)任公司，河南 焦作 454000）

氯化氫合成爐是用作氯氣和氫氣混合燃燒反應(yīng)的設(shè)備。氯氣和氫氣以一定比例在爐內(nèi)燃燒生成氯化氫氣體，化合反應(yīng)時的溫度達(dá)2 000 ℃以上，每生成1 kg 氣態(tài)氯化氫放出2 522.85 kJ 的反應(yīng)熱[1]。對合成爐內(nèi)部燃燒情況進(jìn)行分析，研究其反應(yīng)熱的分布規(guī)律，對合成爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及充分利用反應(yīng)熱具有重要意義。

本文以氯堿化工行業(yè)常見的100 t/d 合成爐為研究對象，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，對其進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其內(nèi)部燃燒的速度、溫度場及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布圖，并對其進(jìn)行分析，為其反應(yīng)熱利用效率，換熱面積的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型及基本方程

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

模擬反應(yīng)爐直徑為1.4 m，反應(yīng)室高度為15 m。幾何模型見圖1，為簡化分析，建立軸對稱模型。合成爐噴口為3層套管結(jié)構(gòu)，其中，中間層套管噴氯氣，內(nèi)層和外場噴氫氣。圖2為合成爐軸對稱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，所有單元數(shù)量為32萬個，控制單元數(shù)量30萬個。

1.2 數(shù)學(xué)模型

流體力學(xué)基本方程組包括連續(xù)性方程、運(yùn)動方程、組分質(zhì)量守恒方程、能量方程、本構(gòu)方程、狀態(tài)方程及通用形式守恒方程。其通用形式為：

式中，φ 為通用變量，u，v，w，T 代表等求解量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)，從左至右依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。對于特定的方程，φ、Γφ和Sφ具有特定的形式，表1給出了這3個符號與各特定方程的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 模擬反應(yīng)爐幾何模型

圖2 網(wǎng)格劃分模型

表1 通用控制方程中各符號的具體形式

1.3 物性參數(shù)

1.3.1 熱力學(xué)參數(shù)各組分的定壓比熱CP為溫度的函數(shù)，記為CP（T）式中，T 為熱力學(xué)溫度，K；ai（i=0～4）為系數(shù)，見表2。

1.3.2 反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)

反應(yīng)速率滿足Arrhenius 方程：

式中，A 為頻率因子；T 為熱力學(xué)溫度，K；Tref為參考溫度，對于絕大數(shù)反應(yīng)取298 K；n 為溫度指數(shù)；Ea為活化能，J/mol；R 為通用氣體常數(shù)，為8.3144 J/mol·K。反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)見表3。

1.4 邊界條件

氫氣和氯氣反應(yīng)物摩爾量比為1.00∶1.05，其中氫氣流量為115.6565598mol/s，氯氣121.439 387 8 mol/s。由原石墨爐的壁面設(shè)計(jì)溫度將邊界溫度設(shè)置為573 ℃，無滑移邊界，反應(yīng)爐內(nèi)壓力設(shè)置為50 kPa。

2 模擬結(jié)果與分析

數(shù)值模擬分析合成爐內(nèi)部速度場、溫度場及燃燒各組分體積分?jǐn)?shù)的分布，直觀的展示了改進(jìn)后合成爐的燃燒情況，模擬結(jié)果為避免傳熱惡化、優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合理安排能量利用區(qū)間提供了理論依據(jù)。可輔助解決合成爐的工程實(shí)際問題，為進(jìn)一步優(yōu)化合成爐提供參考。

2.1 速度場和溫度場分布

合成爐的速度場見圖2。在其反應(yīng)核心區(qū)內(nèi)速度最大，結(jié)合合成爐的斷面速度圖，共存在2個核心區(qū)，分別在3 m 和6 m 段反應(yīng)最激烈，合成HCl 的量最多。此后區(qū)域段的HCl 速度越來越小，趨于平穩(wěn)階段。

表2 系數(shù)選取

表3 氯氣與氫氣的基元反應(yīng)及其反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)

合成爐溫度見圖3。從圖3可以看出，沿合成爐高度方向，火焰出現(xiàn)3次峰值，火焰呈3層環(huán)狀結(jié)構(gòu)擴(kuò)展。在0～2 m 之間爐內(nèi)溫度迅速增大，從200 ℃增大到2 500 ℃，爐的上部爐溫為2 000～2 100 ℃，也說明了合成爐蘊(yùn)含巨大反應(yīng)余熱，完全可以用來副產(chǎn)蒸汽。在現(xiàn)有石墨合成爐系統(tǒng)中，雖然水冷壁吸收了氯化氫大部分的熱量，但合成爐的出口煙氣溫度仍然為200 ℃，將這部分熱量直接排掉會造成很大的浪費(fèi)，如果回收利用這一部分熱量，既降低了煙氣的溫度又提高了合成爐的熱量利用率，降低了投資成本。

圖2 合成爐速度分布圖/m/s

圖3 合成爐溫度分布圖/K

反應(yīng)爐高度方向上各斷面上最大速度和平均速度見圖4。從圖4可以看出，隨著高度的增加，斷面的最大速度在0～7 m/s 呈波浪型變化，在5 m 左右達(dá)到峰值22 m/s，說明此區(qū)間是反應(yīng)階段。此后反應(yīng)速度逐漸下降，在11 m 以后趨于穩(wěn)定至5 m/s 左右。

圖4 沿軸線方向斷面速度分布圖

2.2 燃燒反應(yīng)體積分?jǐn)?shù)分布

燃燒反應(yīng)各給分的體積分?jǐn)?shù)見圖5，（a）為H2的體積分?jǐn)?shù)；（b）為Cl2的體積分?jǐn)?shù)；（c）為HCl 的體積分?jǐn)?shù)。沿反應(yīng)爐高度方向上各斷面上各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖6。

圖5 氯化氫、氫氣、氯氣組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖6 氯化氫、氫氣、氯氣體積分?jǐn)?shù)

結(jié)合2圖可以看出，在反應(yīng)的0～5 m，H2、Cl2、HCl 的量上下浮動，與前面述斷面速度呈波浪型變化相一致。在合成爐斷面高度2 m 和5 m 處Cl2和HCl 出現(xiàn)了2個峰值，其中，合成HCl 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了80%和90%，，在該區(qū)段，氯化氫的合成速率也在其最大值附近，二者的變化曲線吻合。

分析結(jié)果顯示：HCl 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～5 m 處波動，說明這是主要的反應(yīng)區(qū)間，在5 m 以后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在90%左右；H2反應(yīng)比較完全，在5 m 以后，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于零，而Cl2反應(yīng)不徹底，穩(wěn)定后仍有8%左右的剩余，反應(yīng)生成的HCl 不完全純凈，參雜一定量的Cl2，需要凈化處理。

3 結(jié)論

運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)，對鹽酸合成爐的內(nèi)部燃燒情況進(jìn)行數(shù)值模擬，直觀地展示了鹽酸合成爐的燃燒情況，分析了合成爐內(nèi)的溫度、速度、體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律，為解決鹽酸合成爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受熱面布置等問題提供參考依據(jù)。研究結(jié)果表明：（1）0～5 m為其反應(yīng)區(qū)間，燃燒反應(yīng)主要發(fā)生在2 m 和5 m 段；在0～2 m 之間，爐內(nèi)溫度迅速增大，從200 ℃增大到2 500 ℃，上部爐溫在2 000～2 100 ℃之間；（2）隨著高度的增加，斷面的最大速度在0～7 m 呈波浪型變化，在5 m 左右，達(dá)到峰值22 m/s，說明此區(qū)間是反應(yīng)階段。此后，反應(yīng)速度逐漸下降在11 m 以后趨于穩(wěn)定在5 m/s 左右；（3）HCl 的合成質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～5 m 處波動，在5 m 以后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在90%左右。

［1］趙榮欣，王俊飛.新型節(jié)能氯化氫石墨合成爐研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化.全面腐蝕控制，2011，（8）：18－21.