利用流体动力学来优化炉内气体混合的设计

背景

这是用于Clauss工艺的热炉的标准设计，该工艺将H ₂ S 转化为SO ₂。熔炉的主要问题是气体混合效果很差，转化率仅为60％。这继而增加了处理杂质的下游设备成本。迫切需要一种改善气体混合的设计。

H ₂ S和O ₂分别进料到反应器中。燃烧反应开始并将温度升高至约1400°C。反应器中心的节流点在那里迫使气体在反应器的任一侧更好地混合。

到目前为止我所做的

我对喷油器进行了设计修改，可以从汽车喷油器中汲取灵感，从而实现更大的混合。

我没有在此图形中包括阻塞点。只是为了测试该概念的有效性。

双角度喷射器为进气提供水平和径向速度。这会对流体产生涡旋效应，从而使混合效果提高约60％。混合在此定义为出口产品分布的均匀性。

优点有两个方面：气体颗粒由于涡旋而需要进一步传播，从而增加了它们在反应器中停留的时间。因此，还可以实现更大的转化率，或者从不同的角度来看，需要更小的反应器来实现与标准单元相同的转化率，从而大大降低了成本。

问题

我希望利用某些流体动力学现象来改善混合效果。例如，在节流区使用涡流形成。还有什么可以改善混合的呢？可以添加/删除哪些功能？

PS：用文字解释您建议的设计，无需实际建模。
当然，这将帮助我了解该想法，但这不是必需的。

我可以访问Fluent，在其中可以模拟这些设计并将它们与标准单元进行比较。

我仍然渴望看到您能想到的。

据我了解您的问题，您正在寻找一种将两种气体彼此扩散/混合的方法。由于方程式的特性，很难“正确”地模拟该过程。但是，由于模型通常低估了湍流的混合过程，因此您的混合不太可能比预期的差。您最大的问题可能是取决于湍流混合的压力损失，具体取决于系统的工作压力。

好在很多应用程序中都需要混合，也许您可​​以得到一些想法：

美国宇航局针对其液-液燃烧室研究了许多撞击混合过程：

GE，普拉特和罗尔斯·罗伊斯研究了混合喷气发动机旁通和核心流的最有效方法：

最终，飞行和固定式燃气轮机制造商进行了很多实验，提出了一种非常有效（快速）的方式来混合空气和燃料：

基本上，所有示例背后的想法都是增加两种流体的表面。在分子水平上，只能通过增加温度来增加混合/扩散本身。因此，在给定温度下，只能通过增加混合表面来增加混合，并让分子以更大的比例发生。

但是，尤其是最后一个示例中使用的剪切层和旋流很难模拟，因为湍流模型通常不能很好地捕捉物理现象。

简短摘要或对您的问题的评论：

我希望利用某些流体动力学现象来改善混合效果。

混合只有一种基本现象，那就是扩散。为了增加混合同时具有恒定的扩散，是通过增加混合表面积，这是通过旋转剪切层最有效地完成的。

初步结果

我在阻塞点之前添加了圆锥形结构以分隔流。基本上是切削液。该锥体附有4个支撑。这种配置使混合增加了可笑的数量。我实现了近乎线性的产品分配。但是，我尚未对该锥体进行温度或结构分析来验证它是否可以承受施加的温度或载荷。该圆锥体已添加到标准结构中。应使用锥形和两次成角度的进样器进行进一步分析。

正弦波壁已添加到熔炉中，以帮助在边界上形成涡流。这增加了产品分配的线性度，但降低了转化率，目前我还不了解。

为了帮助建模过程，使用了更简单的反应。苯和氧气以600开尔文的温度进料到反应器中。

以下所有图像的图例范围从0％（透明）到100％（红色）。在所有运行的场景中，使用了完全相同的运行条件，并且反应堆的总长度保持恒定。

产生的转换如下所示：

发现出口处的平均转化率为40.09％。

通过添加锥形结构，转化率提高到43.43％，外观如下：

当添加两个扼流点时，可以看到转换方面的重大改进。发现的转化率：78.46％。与标准反应堆相比，几乎是原来的两倍。

下一轮迭代涉及向反应堆添加圆形特征。最终转化率为78.57％，无论如何，这并不是一个很大的增长。但是，它可以廉价地完成。

双扼流圈设计中增加了两个圆锥体，因此圆锥体的几何形状可有助于在隔室中形成涡流。结果与预期的一样，并且发现转化率为85.35％。

修改先前的设计，使其舍入类似于先前的设计。转化率为86.71％

我的这些实验表明，通过利用某些现象，可以对这种过时的设计进行改进（从字面上看，它出自90年代初）。

我目前正在将双节流阀，双锥体，圆形设计与两次成角度的喷油器结合在一起。

rul30说得最好：

基本上，所有示例背后的想法都是增加两种流体的表面。在分子水平上，只能通过增加温度来增加混合/扩散本身。因此，在给定温度下，只能通过增加混合表面来增加混合，并让分子以更大的比例发生。

一种方法是静态混合器。静态混合器是插入到管道中的一系列叶片，通常为螺旋形。刀片将“切割”并转动流体，以便使不同体积的元件接触。

但是，您将无法在2D模型中建模。有不同的类型-螺旋：

X元素：

和其他。

选择合适的混合器本身可能是一门科学，乍一看，我只发现了有关其在粘合剂生产中的用途的文章-这些混合器通常用于液-液和液-气应用中。本页为瓦斯气体应用提供了另一种建议，即波纹板类型。用于废气混合的静态混合器也用于废气处理，这可能是进一步研究的途径。

图片：Schumacher Verfahrenstechnik