авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |

Теоретические основы разработки микроструктурированных реакторов для каталитических процессов

-- [ Страница 5 ] --

Газосодержание находится по формуле:

. (10)

Приведенная скорость газа рассчитывается из (11) при известном газосодержании и скорости газового снаряда:

. (11)

Выражение (8) с учетом (7) можно переписать в виде:

. (12)

При построении зависимости LЖ от UЖ/fГ получается прямая линия, что свидетельствует о постоянной толщине пленки жидкости (рис. 17). Истинное объёмное газосодержание получается подстановкой корреляции Брезертона в (9):

, (13)

где = UГ/(UГ+UЖ) – расходное газосодержание. Данное выражение по своей структуре соответствует эмпирической формуле: , известной как корреляция Арманда (рис. 18).

В разделе 3.3 предложено выражение для расчета гидродинамического сопротивления в снарядном режиме. Суммарное сопротивление на участке равном одной элементарной ячейке (pЭЯ) складывается из потерь давления на трение при движении жидкостной пробки (pЖ), рассчитываемых по уравнению Гагена-Пуазейля (14), и потерь давления на границе раздела фаз (pГ).

. (14)

Количество элементарных ячеек в канале равняется: L/(LГ+LЖ). Гидродинамическое сопротивление в капилляре складывается из суммы сопротивлений в отдельных элементах потока:

. (15)

После преобразования данное уравнение можно переписать в виде:

. (16)

Множитель 32Ж(UГ+UЖ)/DК2 описывает гидродинамическое сопротивление полностью сформировавшегося потока жидкости, движущегося со скоростью UГ+UЖ. Часть канала, заполненная жидкостью, определяется соотношением (LЖ+)/(LГ+LЖ). Второе слагаемое в скобках учитывает дополнительные потери давления на границе раздела фаз. С учетом (6) и (8) верно равенство: (LЖ+)/(LГ+LЖ) = UЖ/(UГ+UЖ). С учетом модели материального баланса:

, (17)

и последующих преобразований получаем:

. (18)

Отметим, что гидродинамическое сопотивление не является линейной функцией координаты, поскольку градиент давления зависит от приведенной скорости газа, которая изменяется вдоль длины капилляра. Поэтому важно знать не только относительный градиент давления, но и распределение абсолютного давления вдоль длины капилляра. Для расчета профиля давления необходимо знать функцию распределения скорости газовых снарядов вдоль длины капилляра uГ(z), которая зависит от толщины пленки жидкости. В свою очередь, толщина пленки зависит от скорости газовых снарядов. Поэтому при вычислении обоих параметров использовался итерационный метод решения уравнений (19) и (20) для каждой осевой позиции вдоль длины капилляра.

, (19)
. (20)

На рис. 19 приведено сравнение результатов экспериментальных значений гидродинамического сопротивления с расчетными значениями, полученными по трем моделям: Локхарта–Мартинелли–Чисхолма (ЛМЧ), Кройтзера–Каптяйна–Муляйна и др. (ККМ) и модели, предложенной в данной работе. ЛМЧ модель занижает величину гидродинамического сопротивления при < 1,5 бар и завышает при > 2,0 бар. Точность оценки расчетной величины составляет от –14 до +10% в интервале гидродинамических сопротивлений от 1,0 до 2,5 бар. Модель ККМ позволяет рассчитать гидродинамическое сопротивление с точностью от –15 до +4% от экспериментально наблюдаемой величины, причем точность возрастает по мере приближения к ReГЖ =150. Модель, предложенная в данной работе, позволяет оценить градиент давления с точностью от –4 до +3 % от экспериментальных значений, что существенно превосходит точность оценок предыдущих моделей. При ReГЖ< 150 отклонения локальной скорости газового снаряда от средней скорости по сечению значительно возрастают. Это приводит к увеличению относительного вклада потерь давления в газовом снаряде (PГ) в общее гидродинамическое сопротивление, что не учитывается в модели ККМ. Поэтому гидравлическое сопротивление при ReГЖ< 150 не может быть удовлетворительно описано по модели ККМ.

Четвертая глава посвящена масштабированию процессов в микрореакторах. Эксплуатация микрореакторов показала, что их расчетная эффективность достигается не всегда. В большинстве случаев это обусловлено неравномерным подводом рабочей среды (жидкости или газа) к каналам микрореактора, а также неравномерным её распределением по отдельным параллельно включенным микрореакторам.

В разделе 4.1 представлен расчет геометрии входного распределителя для однофазных потоков в ламинарном режиме. При решении данной задачи проведено гидродинамическое моделирование процессов в подводящих элементах микрореакторов, а также выполнены экспериментальные иссле-дования, подтверждающие результаты численного моделирования. Схема объёмной решетки для выравнивания поля скоростей в микрореакторе показана на рис. 20. Решетка соединяется с поводящим коническим газоходом на входе и микрореактором (R) на выходе. Решетка состоит из двух секций, смещенных друг относительно друга под углом 90о. Первая секция (U от англ. – upstream) состоит из m параллельных каналов. Вторая секция (D от англ. – downstream) состоит из n параллельных каналов. В плоскости раздела между секциями U и D выходящий поток разделяется и распределяется между каналами секции D (рис. 21). Сравним гидравлические сопротивления различных частей объёмной решетки. Для этого разделим геометрию решетки на части: верхняя и нижняя часть каналов секции U образуют прямоугольник высотой zV1, а средние части каналов формируются параллельными пластинами высотой zV2. При этом: zV1= 2(0,5·a+b+d), zV2. Для равномерного распределения потока в каналах секции D, объемный расход Qdwn1 должен быть равным Qdwn2 и так далее до центрального канала. Методом гидродинамического моделирования доказано, что отношение между объёмными расходами газа в первом и втором каналах секции D равно произведению отношения объемных расходов через соответствующие сечения каналов секции U и отношения высот соответствующих поперечных сечений:

(21)

Если удается достичь равномерного распределения потока между первым и вторым каналами секции D, то разделение потока между последующими каналами, всегда происходит в плоскостях равноудаленных от соседних каналов секции D. Таким образом, задача по выравниванию потока на объёмной решетке сводится к выравниванию потока в первом и втором каналах секции D:

(22)

где – гидродинамическое сопротивление на длине lup. В качестве показателя индекса неравномерности потока (ИНП) использовали величину:

, (23)

где , – средняя скорость в канале j, – средняя скорость по всему сечению. Установлено, что достижения выравнивания потока за объёмной решеткой необходимо уменьшать соотношение b/a при увеличении расстояния a. Для нахождения функциональной зависимости b/a от параметра а вычисляли минимум кумулятивного индекса неоднородности потока (КИНП, ) в интервале (мкм):

. (24)

Функциональная зависимость соотношения b/a от а может быть представлена в виде:

, (25)

где P1 и P2 – подгоночные параметры. Гидродинамическим моделированием установлено, что P1 = 0,5, а P2 изменяется в зависимости от значений c, d и :

, (26)

где P3 и P4 – подгоночные параметры (табл. 4). Относительная погрешность вычислений () по выражению (26), не превышает 4,2% относительно значений, полученных минимизацией функции (24).

, (27)

Число каналов (m) должно быть не менее восьми на 10 мм сечения решетки в направлении оси y. Для создания высокой степени однородности потока ( <0,2 %), рекомендуется ширина каналов в интервале 200 – 300 мкм. Для промышленных установок ( = 0,3–0,5 %), ширина может варьироваться в интервале 500 – 800 мкм, что существенно снижает производственные затра-ты на изготовление таких решеток.

Для проверки расчетных формул проведено гидродина-мическое моделирование решетки. На рис. 22 приведены значения ИНП в зависимости от соотношения b/a при нескольких значениях параметра a. Во всех случаях наблюдается минимум ИНП ( = 0,18 – 0,20 %), положение которого сдвигается в область более высоких отношений b/a при уменьшении расстояния а, что полностью соответствует расчетным значениям, полученным по выражению (25). Для достижения заданного ИНП допустимая точность микромашининга и сборки частей решетки должна составлять 50 до 70 мкм. Современные технологии позволяют осуществлять сборку с точностью 10–15 мкм, поэтому, в принципе, возможно достижение более низких значений ИНП.

Оптическая диагностика кинематических параметров является одним из современных интенсивно развиваемых применений лазерной техники в научных исследованиях и в промышленных технологиях, связанных с необходимостью невозмущающих измерений и контроля газовых и конденсированных сред. В работе проведен анализ распределения скорости смеси вода/ПВП (поливинилпирролидон) в каналах микрореактора в интервале чисел Рейнольдса, соответствующем теоретической модели. Во всех случаях ИНП не превышает 2%, при этом величины отклонений носят случайный характер, что подтверждает справедливость предложенных расчетных формул.

В разделе 4.2 изучено влияние неоднородности геометрии и параметров процесса на рабочие параметры микрореакторов. Обычно параметры микрореакторов имеют отклонения от заданных величин ввиду особенностей методов для нарезки каналов, микроструктурированных пластин, и сборки отдельных пластин в готовые изделия. Поэтому, возможно оценить среднее значение того или иного параметра и стандартное отклонение от среднего значения по всей выборке.

Обозначим диаметр i-го канала через среднее значение () и отклонение от среднего (): . Суммарный поток газа через микрореактор, содержащий n каналов, можно записать в виде суммы потоков через индивидуальные каналы:

. (28)

Выражение (28) можно представить в виде:

. (29)

Если микрореактор содержит более 30 каналов, стандартное отклонение от среднего можно принять равным корню из дисперсии (). Таким образом, при постоянной скорости потока гидродинамическое сопротивление в микрореакторе, с определенным распределением каналов по диаметру, будет меньше, чем в случае, когда все каналы имеют одинаковый диаметр:

. (30)

Отклонение диаметра отдельных каналов не оказывает существенного влияния на производительность микрореактора. Так при относительном отклонении от среднего диаметра канала () равном 0,05, гидродинамическое сопротивление только на 1,5 % ниже по сравнению с идеальным случаем.

Время пребывания в микрореакторе зависит как от скорости потока в данном канале, так и от его объёма. В работе показано, что относительное стандартное отклонение времени пребывания реакционной смеси в микрореакторе () равняется удвоенному относительному стандартному отклонению диаметра его каналов:

. (31)

Поскольку квадрат относительного стандартного отклонения времени пребывания приблизительно равен 2/Per, то выражение (31) можно переписать в виде:

. (32)

где Per – число Пекле (Боденштейна). Таким образом, распределение безразмерного времени пребывания в микрореакторе с =0,1 будет совпадать с безразмерным временем пребывания в трубчатом реакторе при Pe = 50.

Влияние неоднородности по диаметру каналов на конверсию в микрореакторе можно оценить, проведя суммирование конверсии по всем микроканалам реактора. Допустим, что в микрореакторе идеального вытеснения протекает необратимая гетерогенная реакция первого порядка AB, имеющая константу скорости (моль/(кг·с)). Мольный поток компонента А (моль/с) на выходе из i-го микроканала можно записать в виде:

, (33)

где – время контакта реакционной смеси с катализатором. Согласно (33) конверсия вещества А в реакции первого порядка в микрореакторе с = 0,1 при =2 в 95% каналов будет варьироваться от 59 до 99%.

Конверсию в микрореакторе можно получить, просуммировав по всем микроканалам. Данную задачу осложняет тот факт, что индивидуальные отклонения от среднего () неизвестны, а известна лишь сумма их квадратов. Поэтому, принимая во внимание малую величину отклонений, конверсию можно разложить в ряд Тэйлора:

(34)

В случае, когда число каналов в микрореакторе более 30, при вычислении второй производной в выражении (34) можно принять, что не зависит от . Тогда:

, (35)


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.