氯化氢合成炉的数值模拟分析

张保森，郭培红，朱建安

（1.河南理工大学机械与动力工程学院，河南 焦作 454000；2.昊华宇航化工有限责任公司，河南 焦作 454000）

氯化氢合成炉是用作氯气和氢气混合燃烧反应的设备。氯气和氢气以一定比例在炉内燃烧生成氯化氢气体，化合反应时的温度达2 000 ℃以上，每生成1 kg 气态氯化氢放出2 522.85 kJ 的反应热[1]。对合成炉内部燃烧情况进行分析，研究其反应热的分布规律，对合成炉的结构设计以及充分利用反应热具有重要意义。

本文以氯碱化工行业常见的100 t/d 合成炉为研究对象，采用计算流体力学的方法，对其进行数值模拟，得到其内部燃烧的速度、温度场及其质量分数的分布图，并对其进行分析，为其反应热利用效率，换热面积的设计提供指导。

1 数学模型及基本方程

1.1 几何模型及网格划分

模拟反应炉直径为1.4 m，反应室高度为15 m。几何模型见图1，为简化分析，建立轴对称模型。合成炉喷口为3层套管结构，其中，中间层套管喷氯气，内层和外场喷氢气。图2为合成炉轴对称结构网格模型，所有单元数量为32万个，控制单元数量30万个。

1.2 数学模型

流体力学基本方程组包括连续性方程、运动方程、组分质量守恒方程、能量方程、本构方程、状态方程及通用形式守恒方程。其通用形式为：

式中，φ 为通用变量，u，v，w，T 代表等求解量；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项，从左至右依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。对于特定的方程，φ、Γφ和Sφ具有特定的形式，表1给出了这3个符号与各特定方程的对应关系。

图1 模拟反应炉几何模型

图2 网格划分模型

表1 通用控制方程中各符号的具体形式

1.3 物性参数

1.3.1 热力学参数各组分的定压比热CP为温度的函数，记为CP（T）式中，T 为热力学温度，K；ai（i=0～4）为系数，见表2。

1.3.2 反应动力学参数

反应速率满足Arrhenius 方程：

式中，A 为频率因子；T 为热力学温度，K；Tref为参考温度，对于绝大数反应取298 K；n 为温度指数；Ea为活化能，J/mol；R 为通用气体常数，为8.3144 J/mol·K。反应的动力学参数见表3。

1.4 边界条件

氢气和氯气反应物摩尔量比为1.00∶1.05，其中氢气流量为115.6565598mol/s，氯气121.439 387 8 mol/s。由原石墨炉的壁面设计温度将边界温度设置为573 ℃，无滑移边界，反应炉内压力设置为50 kPa。

2 模拟结果与分析

数值模拟分析合成炉内部速度场、温度场及燃烧各组分体积分数的分布，直观的展示了改进后合成炉的燃烧情况，模拟结果为避免传热恶化、优化炉体结构设计、合理安排能量利用区间提供了理论依据。可辅助解决合成炉的工程实际问题，为进一步优化合成炉提供参考。

2.1 速度场和温度场分布

合成炉的速度场见图2。在其反应核心区内速度最大，结合合成炉的断面速度图，共存在2个核心区，分别在3 m 和6 m 段反应最激烈，合成HCl 的量最多。此后区域段的HCl 速度越来越小，趋于平稳阶段。

表2 系数选取

表3 氯气与氢气的基元反应及其反应动力学参数

合成炉温度见图3。从图3可以看出，沿合成炉高度方向，火焰出现3次峰值，火焰呈3层环状结构扩展。在0～2 m 之间炉内温度迅速增大，从200 ℃增大到2 500 ℃，炉的上部炉温为2 000～2 100 ℃，也说明了合成炉蕴含巨大反应余热，完全可以用来副产蒸汽。在现有石墨合成炉系统中，虽然水冷壁吸收了氯化氢大部分的热量，但合成炉的出口烟气温度仍然为200 ℃，将这部分热量直接排掉会造成很大的浪费，如果回收利用这一部分热量，既降低了烟气的温度又提高了合成炉的热量利用率，降低了投资成本。

图2 合成炉速度分布图/m/s

图3 合成炉温度分布图/K

反应炉高度方向上各断面上最大速度和平均速度见图4。从图4可以看出，随着高度的增加，断面的最大速度在0～7 m/s 呈波浪型变化，在5 m 左右达到峰值22 m/s，说明此区间是反应阶段。此后反应速度逐渐下降，在11 m 以后趋于稳定至5 m/s 左右。

图4 沿轴线方向断面速度分布图

2.2 燃烧反应体积分数分布

燃烧反应各给分的体积分数见图5，（a）为H2的体积分数；（b）为Cl2的体积分数；（c）为HCl 的体积分数。沿反应炉高度方向上各断面上各组分的质量分数见图6。

图5 氯化氢、氢气、氯气组分质量分数

图6 氯化氢、氢气、氯气体积分数

结合2图可以看出，在反应的0～5 m，H2、Cl2、HCl 的量上下浮动，与前面述断面速度呈波浪型变化相一致。在合成炉断面高度2 m 和5 m 处Cl2和HCl 出现了2个峰值，其中，合成HCl 的质量分数分别达到了80%和90%，，在该区段，氯化氢的合成速率也在其最大值附近，二者的变化曲线吻合。

分析结果显示：HCl 的质量分数在0～5 m 处波动，说明这是主要的反应区间，在5 m 以后，质量分数稳定在90%左右；H2反应比较完全，在5 m 以后，其质量分数趋于零，而Cl2反应不彻底，稳定后仍有8%左右的剩余，反应生成的HCl 不完全纯净，参杂一定量的Cl2，需要净化处理。

3 结论

运用计算流体力学，对盐酸合成炉的内部燃烧情况进行数值模拟，直观地展示了盐酸合成炉的燃烧情况，分析了合成炉内的温度、速度、体积分数的分布规律，为解决盐酸合成炉的结构设计及受热面布置等问题提供参考依据。研究结果表明：（1）0～5 m为其反应区间，燃烧反应主要发生在2 m 和5 m 段；在0～2 m 之间，炉内温度迅速增大，从200 ℃增大到2 500 ℃，上部炉温在2 000～2 100 ℃之间；（2）随着高度的增加，断面的最大速度在0～7 m 呈波浪型变化，在5 m 左右，达到峰值22 m/s，说明此区间是反应阶段。此后，反应速度逐渐下降在11 m 以后趋于稳定在5 m/s 左右；（3）HCl 的合成质量分数在0～5 m 处波动，在5 m 以后，质量分数稳定在90%左右。

［1］赵荣欣，王俊飞.新型节能氯化氢石墨合成炉研发与产业化.全面腐蚀控制，2011，（8）：18－21.