类型a：这篇文档报告了一项原创研究。

主要作者与机构及发表信息
该研究由Jiyoung Moon、Dela Quarme Gbadago、Minjeong Kim和Sungwon Hwang（通讯作者）共同完成，他们分别隶属于韩国仁川大学的智能能源与材料教育研究中心和智能数字工程系。论文发表于《Applied Thermal Engineering》期刊，出版时间为2021年1月13日。

学术背景
本研究属于化学工程与热能工程领域，旨在探讨熔盐冷却剂在化学反应器中的应用性能，特别是以丁二烯合成（通过氧化脱氢反应）为案例的研究。温度控制对于化学反应器的性能至关重要，尤其是在强放热或吸热反应中，因为温度会显著影响反应转化率、产率和选择性。传统的太阳能盐（Solar Salt）作为传热流体虽然被广泛应用，但其高熔点导致经济性较差。因此，本研究的目标是评估不同熔盐及其热物理性质对反应器冷却性能的影响，并探索管径变化对反应器性能的作用。此外，研究还通过经济分析评估了不同熔盐的成本效益，为工业应用提供决策依据。

详细研究流程
本研究包括以下几个主要步骤：

1. 模型开发与验证
   研究采用计算流体力学（CFD）方法构建了一个三维单管反应器模型，该模型配备冷却夹套用于模拟丁二烯合成过程中的氧化脱氢反应。反应动力学基于Sterrett等人提出的Zn-Fe-Cr催化剂的实际动力学参数。模型的守恒方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。几何模型通过开源CAD软件Salome®设计，网格生成则使用OpenFOAM的SnappyHexMesh工具完成。最终生成的网格总数为150,161个单元，经过网格独立性测试验证其准确性。模型通过实验数据进行验证，结果显示平均误差为3.5%。

2. 熔盐冷却性能研究
   在这一部分，研究选择了12种不同的熔盐（包括不同浓度的硝酸钠和硝酸钾混合物以及其他碱金属硝酸盐混合物），并评估了它们在冷却性能上的差异。所有熔盐均在其熔点注入冷却夹套，入口气体温度设定为633 K。研究通过改变熔盐成分和浓度，观察其对反应器温度分布、物种浓度分布以及反应性能（转化率、产率和选择性）的影响。

3. 管径对冷却性能的影响
   研究进一步分析了不同管径（范围从0.7 cm到4 cm）对反应器冷却性能的影响。所有实验均使用Solar Salt作为冷却剂，保持管长不变（81.28 cm）。通过比较不同直径下的温度分布和物种浓度分布，研究评估了管径对冷却效率、转化率、产率和选择性的影响。

4. 经济性评估
   研究对不同熔盐的经济性进行了分析，包括熔化成本和加热至633 K所需的能量成本。经济数据来源于韩国电力公司（KEPCO）的单位能源成本。通过对熔盐的熔点、比热容和成本的综合分析，研究评估了其在热能存储系统和化学反应器冷却中的适用性。

主要结果
1. 熔盐冷却性能的结果
研究发现，低熔点熔盐（如40 wt% NaNO3-KNO3混合物）具有较高的热移除效率，但由于较低的反应温度，导致整体转化率、产率和选择性下降。例如，0 wt% NaNO3（熔点616.61 K）的转化率为97.99%，而40 wt% NaNO3（熔点506.63 K）的转化率仅为86.07%。此外，热物理性质（如比热容）对冷却效率的影响较小，各熔盐的出口温度差异仅为0.55%。

1. 管径对冷却性能的影响
   较小直径的反应器（如0.7 cm）表现出更高的热移除效率，但转化率、产率和选择性较低。例如，0.7 cm直径的反应器的产率为94.25%，而4 cm直径的反应器产率为98.97%。研究表明，直径在1.4 cm到2.54 cm之间的反应器能够在冷却效率和反应性能之间取得良好平衡。

2. 经济性评估的结果
   在需要进一步加热的场景中，Solar Salt是最经济的选择（操作成本为78.65 $/h）。而在仅需潜热的应用中（如热能存储系统），LiNaKCsNO3和NaNKCaNO3因其较低的熔化成本（分别为5.13 $/h和1.42 $/h）成为最佳候选。

结论与意义
本研究通过CFD模拟和经济分析，全面评估了不同熔盐和管径对化学反应器冷却性能的影响。研究结果表明，低熔点熔盐虽然在热移除效率上表现优异，但会降低反应性能；而较高熔点的熔盐（如Solar Salt）在需要进一步加热的场景中更具经济性。此外，直径在1.4 cm到2.54 cm之间的反应器能够在冷却效率和反应性能之间实现最佳平衡。这些发现为工业应用中熔盐的选择和反应器设计提供了重要参考。

研究亮点
1. 首次通过CFD模拟系统评估了多种熔盐在丁二烯合成中的冷却性能。
2. 发现热物理性质（如比热容）对冷却效率的影响较小，熔点是更重要的决策因素。
3. 提出了直径与长度比在32到58之间的反应器设计建议，为工业实践提供了指导。
4. 经济性分析揭示了不同熔盐在热能存储和化学反应器冷却中的适用性差异。

其他有价值内容
研究还强调了热回收在提高熔盐冷却系统整体热效率中的潜在作用，为未来研究指明了方向。