ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ТЕХНОЛОГИИ МИКРОПРОЦЕССОВ
SURFACE ELEMENTS IN MICRO PROCESSING COMPONENTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение касается микроканального устройства, включающего микроканалы с элементами на внутренних поверхностях, изменяющими поток; способов использования этой микроканальной архитектуры и способов изготовления аппаратов, имеющих данные элементы.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы наблюдается значительный академический и коммерческий интерес в микроканальных устройствах. Этот интерес возник ввиду преимуществ микротехнологии, в т.ч. меньшие размеры, повышенная производительность, возможность построения системы определенного размера, обеспечивающей требуемую производительность (т.е. "верхние" каналы), увеличение теплопередачи и усиление массообмена. Обзор некоторых работ, посвященных микрореакторам (частный случай микроканальных устройств), предоставлен в Gavrilidis et al., "Technology And Applications Of Microengineered Reactors," Trans. IChemE, Vol.80, Part A, p.3-30 (Jan. 2002).
Поверхностные элементы использовались для смешивания в микроканалах. В уровне техники использовались поверхностные элементы для улучшения смешивания двух потоков жидкости при очень малых числах Рейнольдса. Типичные значения числа Рейнольдса - менее 100, обычно от 0,1 до 10. Хороший смеситель определяется малым отклонением в массовой композиции в области сечения на выходе микромиксера. Далее, из уровня техники известно, что использование поверхностных элементов особенно полезно при низких числах Рейнольдса, но эффективность смешивания снижается при увеличении числа Рейнольдса свыше 10 или 100.
Известные из уровня техники микромешалки, основанные на использовании желобчатой стенки или стенки с расположенными под углом углублениями, впервые были рассмотрены Svasek в 1996 г. Здесь ряд угловых канавок (одна диагональная канавка с постоянным углом на элемент) располагался на одной стенке для смешивания раствора подсиненного йодом крахмала с раствором фотографического фиксатора. Было отмечено улучшение смешивания по сравнению с плоским каналом, где цель состояла в том, чтобы смешать путем организации потока в главном канале таким образом, чтобы диффузионное расстояние этих двух жидкостей в потоке в главном канале уменьшилось, и диффузия могла обеспечить окончательное смешивание. Отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло 0,25.
Использование желобчатых поверхностей снова появилось в декабре 2001 г. в сети. Авторы Johnson, Ross и Locascio описали использование четырех диагональных канавок (одна постоянная диагональная канавка на элемент) для улучшения смешивания в главном канале микромешалки. Авторы описывают улучшенное смешивание при более низких скоростях потока или меньших числах Рейнольдса для всех оцененных случаев. Они также описывают дополнительные изменения углов в диагональных канавках после секции 4 повторяющихся похожих канавок. Хотя характеристики улучшились, показатели смешивания снижались при увеличении числа Рейнольдса. Отношение глубины канавки или углубления к канальному промежутку составляло 2,74.
В январе 2002 г. Strook et al описали в Science использование двух микромешалок с канавками, одной с постоянной наклонной угловой канавкой и второй, названной мешалкой с шахматным рисунком "елочка" (SHM), где угловые элементы последовательно менялись после шести элементов. Задача этой работы состояла в улучшении смешивания двух жидкостей в микроканале при потоках с малыми числами Рейнольдса (менее 100). Авторы указывают, что длина смешивания увеличивается линейно как функция логарифма числа Пекле. Число Пекле определяется как скорость, умноженная на канальный промежуток и деленная на диффузионную способность. При более высоких скоростях необходимая длина смешивания увеличивается, что отрицательно влияет на смешивание. Отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло максимумом 0,6 для SHM.
Также в 2002 г. Strook et al описали в Analytical Chemistry ряд подобных наклонных углов с постоянным углом для смешивания жидкостей с числом Рейнольдса, где отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло максимумом 1,175. Авторы описывают спиральность потока, которая отражает шаг вращающегося потока. Авторы указывают, что мешалка с шахматным рисунком "елочка" ускоряет смешивание в микрожидкостных устройствах путем создания хаоса Лагранжа при малых числах Рейнольдса.
Johnson и Locascio в июне 2002 г. описали микромешалку с четырьмя наклонными последовательными канавками для улучшения смешивания в канале объемного потока. Авторы указывают, что транспорт жидкости в канале увеличивался при увеличении глубины желоба или канавки до 50 микрон, однако, без дальнейшего усиления при увеличении свыше данной глубины. Большие значения глубины были отмечены как "мертвая зона", где поток или молекулы могут быть захвачены, а не смешаны. Число Рейнольдса было меньше 1. Авторы также указывают, что осевая дисперсия каналов с углублениями или канавками была выше, чем осевая дисперсия для плоских стенок или стенок без углублений. Отношение глубины канавки к канальному промежутку было в диапазоне от 0,32 до 2,74. Выше отношения 1,6 авторы не отмечают дополнительного улучшения. Во всех случаях рисунки показывают малый доступ смешивающейся жидкости напротив внутренней стены канавки.
Strook и Whitesides описывали в Accounts of Chemical Research в 2003 г. использование мешалки с шахматным рисунком "елочка" для растяжения и складывания потока в главном канале путем изменения ориентации канавок с равномерными интервалами или циклами. Отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло 0,44, а числа Рейнольдса были меньше 1. Авторы указывают, что длина смешивания пропорциональна логарифму скорости потока, потому что мешалки с шахматным рисунком "елочка" (SHM) способствуют хаотической адвекции в главном канале потока. В несмешанных каналах длина смешивания пропорциональна скорости потока. Авторы также указывают, что SHM снижает дисперсию для потока Пуазейля в микроканалах.
В 2003 г. Aubin et al описали в Chemical Engineering Technology, что диагональная мешалка создает очень небольшое конвективное смешивание, потому что создается сильный спиральный поток вокруг края канала, но не включает центральный поток канала. SHM наоборот обеспечивает очень хорошее смешивание в канале. В этом исследовании отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло меньше 0,6. Число Рейнольдса было равно 2. Авторы указывают, что самые низкие уровни жидкостной деформации (указывающей на растяжения или движения жидкости) наблюдаются в канавках канала, однако это, возможно, не является хорошим показателем для количественной оценки смешивания.
Wang et al опубликовали в июле 2003 г. в J. Micromech. Microeng количественное исследование микроканалов с расположенными по определенному образцу канавками. Отношение глубины канавки к канальному промежутку изменялось в диапазоне от 0,1 до 0,86. Диапазон используемых чисел Рейнольдса был от 0,25 до 5. Образец состоял из ряда сходных наклонных угловых канавок с постоянным углом. Авторы указывают, что отношение размеров канавки является самой важной переменной для смешивания, причем значение 0,86 было лучшим, чем 0,1. Структура потока представляла собой один вихрь в главном канале. Из рисунков видно, что амплитуда скорости сдвига или определенной спиральности снижается при увеличении числа Рейнольдса. Средний сдвиг или спиральность в цикле, вероятно, не зависят от числа Рейнольдса. Авторы указывают, что хаотическая адвекция не присутствовала в этой геометрии. Авторы указывают, что организованные по определенному образцу канавки в микроканалах создают мертвые объемы, но более глубокие элементы также улучшают смешивание и уменьшают длину канала для смешивания. Было отмечено, что эти мешалки предназначены для работы при относительно низких скоростях потока (Re<5), что сокращает перепад давления.
В 2003 г. Bennett и Wiggins опубликовали в Интернете сравнение различных конфигураций SHM. Конкретнее, короткие отрезки были удалены, а канавки были разделены на две части и их глубина была удвоена. Число Рейнольдса было меньше 0,1. Улучшенное смешивание наблюдалось при использовании канавок с двойной глубиной по сравнению с первоначальной структурой SHM, а удаление коротких отрезков давало немного худшие результаты, чем использование канавок с глубиной, равной половине первоначальной SHM. Авторы указывают, что эффективность мешалки - результат смешивания в желобе, где некоторая часть жидкости совершала возвратно-поступательное движение через канал в канавке или желобе, что обеспечивало больший сдвиг в жидкости и, таким образом, улучшало смешивание.
Авторы считают, что на основании этого предложенного механизма можно устранить короткие отрезки SHM, и это окажет очень малое влияние. Таким образом создаются элементы только с одним углом. Авторы также указывают, что перепад давления для желобчатых каналов меньше, чем в простых каналах без желобов, поскольку отверстия канавок оказывают эффективное действие по ослаблению граничного условия без проскальзывания. Наконец, авторы обсуждают длину смешивания как возрастающую функцию логарифма Ре, т.е. длина смешивания увеличивается при повышении скорости или диффузионного расстояния или при уменьшении массовой диффузионной способности.
В апреле 2004 г. Kim et al. опубликовали работу, посвященную использованию хаотической микромешалки со встроенным барьером, размещенным в канале основного потока в дополнение к последовательному ряду угловых канавок, содержащих один угол на элемент. Авторы отмечают, что элементы могут размещаться и в верхней, и в нижней части канала, а также то, что могут быть получены сильные спиральные потоки. Авторы предполагают, что более сильные спиральные потоки обеспечат более высокий порядок смешивания. Отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло 0,15. Высота барьера составляла 40 микрон в 60-микронном микроканальном промежутке. Число Рейнольдса изменилось в диапазоне от 0,228 до 2,28. Авторы показали, что интенсивность смешивания уменьшается при увеличении числа Рейнольдса в пределах данной длины микроканала (21 мм) и что длина смешивания растет логарифмически с увеличением числа Рейнольдса.
Также в апреле 2004 г. Schonfeld и Hardt опубликовали работу о спиральных потоках в микроканалах. Они указывают, что теплопередача от стен канала усиливается, а гидродинамическая дисперсия индикаторов концентрации, транспортируемых через канал, снижается. Они количественно оценили образец поверхностного элемента с одной наклонной угловой канавкой на одной или на двух стенках микроканала с отношением глубины канавки к канальному промежутку от 0,02 до 6,3. Авторы указывают, что среднее отношение векторов поперечной скорости в у (ширина канала) и х (длина канала) плоскостях в пределах поверхностных элементов возрастает линейно от -1 до -0,4 в углублении канавки, а затем увеличивается экспоненциально в основном канале потока до выравнивания в центральной линии канала на нулевом уровне или, по существу, отсутствия результирующего потока поперек канала в канале объемного потока. Векторы поперечного потока в канале перемещаются вперед и назад приблизительно с одной скоростью. Авторы указывают, что в случае двух стенок переплетение тонких слоев двух потоков смешиваемых жидкостей увеличивается, что обеспечивает большую площадь между поверхностями для диффузионного смешивания в основном канале. Авторы проанализировали зависимость относительной поперечной скорости от числа Рейнольдса и сообщили об обнаруженной удивительно слабой зависимости. Абсолютная поперечная скорость в пределах наклонных кромок увеличивается, когда число Рейнольдса изменяется от 1 до 1000, но это едва влияет на относительную поперечную скорость над структурами. Для указанных случаев отношение средней скорости у и х в основном канале близко к нулю по промежутку микроканала. При увеличении числа Рейнольдса относительная скорость жидкости в основном канале в направлении ширины не изменялась.
Locascio опубликовала в мае 2004 г. краткий обзор микрожидкостного смешивания. Она указала, что смешивание было вызвано перекатыванием или сворачиванием жидкости при ее проходе через элементы в нижней части канала. В нижней части канала было обнаружено малое перемещение жидкости. Смешивание в устройствах с желобчатыми каналами происходит путем диффузионного смешивания, усиливаемого благодаря уменьшению диффузионной длины между двумя жидкостями, вызываемому эффектом сворачивания.
Также в мае 2004 г. Kang и Kwon опубликовали сравнение микромешалки с наклонными канавками (все элементы с одним углом), SHM и микромиксера со встроенным барьером. В каждом случае отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло 0,1765. Каждый вариант содержал 24 элемента в виде последовательности, причем SHM имел два набора из 12 элементов, а вершина двухуглового элемента перемещалась от одной стороны канала к другой. Число Рейнольдса, как сообщалось, составляло порядка 0,01. Миксер с наклонными канавками был признан худшим, а SHM - лучшим. Образцы потока в канале показали сворачивание и перемешивание материала в основном канале потока.
Liu, Kim и Sung опубликовали в июле 2004 г. исследование по оценке желобчатых микромиксеров. Размеры из статьи Strook в Science масштабировали с постоянным соотношением с тем, чтобы оценить канал с гидравлическим диаметром 200 микрон в сравнении с 111 микрон. Полученное отношение глубины канавки к канальному промежутку составило 0,23. Характеристики смешивания при числе Рейнольдса 1 были немного лучше, чем при 10. Авторы указывают, что характеристики смешивания ухудшались при больших числах Рейнольдса ввиду значительного сокращения времени пребывания жидкостей внутри миксера.
В марте 2004 г. Strook и McGraw опубликовали работу о простой управляемой крышкой модели потока в полости, предназначенной для качественного сравнения образцов смешивания с реальными экспериментами. В модели использовался SHM с длиной повторяющихся по всей поверхности элементов 0,9 мм. Отношение глубины канавки к канальному промежутку составляло 0,44. Поток Стокса при числе Рейнольдса, приближающемся к 0, использовался в модели для сравнения с потоком при Re=0,01. Качественно модель описала результаты эксперимента, а именно то, что движение одного "лепестка жидкости" справа налево для одного и слева направо для другого в канавках SHM. Однако поток Стокса в модели низводит это до неинерционных потоков, где инерция потока не может конкурировать с диффузией количества движения.
В ноябре 2004 г. Sato et al опубликовали исследование с использованием наклонного единственного углового элемента на 3 стенах. Авторы описывают создаваемый при этом плотный спиральный поток. Отношение глубины канавки к канальному промежутку равнялось 0,3. Авторы указывают, что лучшие результаты давали смещенные элементы на двух стенках, когда 5 наклонных канавок идут в ряд на одной боковой стенке, затем прекращаются, а на противоположной боковой стенке начинаются другие 5 наклонных канавок, в месте прекращения которых начинают идти другие канавки на противоположной стенке и т.д. Здесь число Рейнольдса было меньше 10.
В апреле 2005 г. Howell et al опубликовали исследование, в котором канавки располагались в верхней и нижней части микроканала. Канавки состояли из набора 4 наклонных канавок с одним углом, за которыми шли четыре шевронные канавки, после которых вновь располагались 4 наклонные канавки с одним углом и т.д. Отношение глубины канавки к канальному промежутку было в диапазоне от 0,24 до 0,74. Число Рейнольдса в данном исследовании было в диапазоне от 0,06 до 10. Поток в основном растягивался и сворачивался в основном пути потока с образованием более близко расположенных тонких слоев для диффузионного смешивания. Авторы указывают, что они не обнаружили значительного изменения в структуре потока по всему диапазону исследованных чисел Рейнольдса.
В августе 2005 г. Yang, Huang и Lin опубликовали исследование геометрических эффектов на смешивание жидкостей в желобчатых микромешалках. И вновь было отмечено, что жидкость сворачивалась и растягивалась с уменьшением диффузионной длины для смешивания. Отношение глубины канавки к канальному промежутку было в диапазоне от 0,15 до 0,44. Число Рейнольдса равнялось 10. Авторы указывают на отсутствие значительной корреляции между падением давления и показателем смешивания. Авторы оценили SHM с наборами расположенных в ряд 6 сходных элементов, после которых местоположение вершины следующего набора 6 сходных элементов изменялось по ширине основного канала. Отношение потока в канавках к основному каналу считают наиболее важным показателем для смешивания. Максимальная скорость потока в канавке относительно скорости потока в основном канале составляет 8,9%.
Список литературы
Aubin, Joelle, Fletcher, David F., Bertrand, Joel and Xuereb, Catherine, "Characterization of the Mixing Quality in Micromixers," Chem. Eng. Technol. 26, 12 (2003).
Bennett, John Patrick and Wiggins, Chris H., "A Computational Study of Mixing MicroChannel Flows," Columbus University, New York, NY, July 15 (2003).
Chew, Y.T., Xia, H.M. and Shu, C., "Techniques to Enhance Fluid Micro-Mixing and Chaotic Micromixers," World Scientific Modern Physics Letters B, Vol.19, Nos. 28 & 29, 1567-1570 (2005).
Hessel, Volker, Lowe, Holger and Schonfeld, Friedhelm, "Micromixers - a review on passive and active mixing principles," Chemical Engineering Sciences 60, 2479-2501 (2005).
Howell, Peter В., Mott, David R., Fertig, Stephanie, Kaplan, Carolyn R., Golden, Joel P., Oran, Elaine S. and Ligler, Frances S., "A microfluidic mixer with grooves placed on top and bottom of the channel," The Royal Society of Chemistry Lab Chip, 5,524-230, (2005).
Johnson, Timothy J. and Locascio, Laurie E., "Characterization and optimization of slanted well designs for microfluidic mixing under electroosmotic flow," The Royal Society of Chemistry, Lab Chip, 2,135-140 (2002).
Johnson, Timothy J., Ross, David and Locascio, Laurie E., "Rapid Microfluidic Mixing," Analytical Chemistry, Vol.74, No. 1, January 1 (2002).
Kang, Tae Gon and Kwon, Tai Hun, "Colored particle tracking method for mixing analysis of chaotic micromixers, "Journal of Micromechanics and Microengineering, 14, 891-899 (2004).
Kim, Dong Sung, Lee, Seok Woo, Kwon, Tai Hun and Lee, Seung S., "A barrier embedded chaotic micromixer," "Journal of Micromechanics and Microengineering," 14, 798-805 (2004).
Liu, Ying Zheng, Kim, Byoung Jae and Sung, Hyung Jin, "Two-fluid mixing in a microchannel," Elsevier International Journal of Heat and Fluid Flow, 25,986-995 (2004).
Locascio, Laurie E., "Microfluidic mixing," Anal Bioanal Chem, 379: 325-327, May 5 (2004).
Nguyen, Nam-Trung and Wu, Zhigang, "Micromixers - a review," Journal of Micromechanics and Microengineering 15 R1-R16 (2005).
Sato, Hironobu, Ito, Seiki, Tajima, Kenji, Orimoto, Norimune, Shoji, Shuichi, "PDMS microchannels with slanted grooves embedded in three walls to realize efficient spiral flow," Elsevier B.V. Sensors and Actuators A 119, 365-371, (2005).
Schonfeld, F., Hessel, V. and Hofmann, C, "An optimized split-and-recombine micro-mixer with uniform "chaotic" mixing," The Royal Society of Chemistry Lab Chip, 4, 65-69 (2004).
Schonfeld, Friedhelm and Hardt, Steffen, "Simulation of Helical Flows in Microchannels," AlChE Journal Vol.50, No.4 April (2004).
Stremler, Mark A., Haselton, F.R. and Aref, Hassan, "Designing for chaos; applications of chaotic advection at the microscale," The Royal Society 362, 1019-1036 (2004).
Stroock, Abraham D. and McGraw, Gregory J., "Investigation of the staggered herringbone mixer with a simple analytical model," The Royal Society 10.1098/rsta. 1357 (2003).
Stroock, Abraham D. and Whitesides, George M., "Controlling Flows in Microchannels with Patterned Surface Change and Topography," Accounts of Chemical Research, 597-604, Vol.36, No.8. (2003).
Stroock, Abraham D., Dertinger, Stephan K., Whitesides, George M. and Ajdari, Armand, "Patterning Flows Using Grooved Surfaces," Analytical Chemistry, Vol.74, No.20, October 15, (2002).
Stroock, Abraham D., Dertinger, Stephan K.W., Ajdari, Armand, Mezic, Igor, Stone, Howard A., and Whitesides, George M., "Chaotic Mixer for Microchannels," Science Vol.295, 25 January (2002).
Svasek, Peter, Jobst, Gerhard, Urban, Gerald and Svasek, Edda, "Dry Film Resist Based Fluid Handling Components for uTAS," Analytical Methods & Instrumentation: Special Issue, 78-80, (1996).
Wang, Hengzi, lovenitti, Pio, Harvey, Erol and Masood, Syed, "Numerical investigation of mixing in microchannels with patterned grooves, "Journal of Micromechanics and Microengineering 13, 801-808 (2003).
Wang, Hengzi, Masood, A/Prof. Syed, lovenitti, Dr. Pio and Harvey, A/Prof. Erol, "Passive Mixing in a MicroChannel," Abstract, 261-268.
Yang, Jing-Tang, Huang, Ker-Jer and Lin, Yu-Chun, "Geometric effects on fluid mixing in passive grooved micromixers," The Royal Society of Chemistry Lab Chip, 5,1140-1147 (2005).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении поверхностные элементы в микроканалах могут использоваться для улучшения работы устройств при увеличении числа Рейнольдса. В данном изобретении поверхностные элементы могут быть с выгодой использованы при Re 100 или более, в некоторых вариантах осуществления - при Re, равном 200 или более, 1000 или более, а в некоторых вариантах осуществления - при Re в диапазоне от 300 до 2200. Кроме того, использование поверхностных элементов обеспечивает дополнительные неожиданные преимущества в виде улучшения турбулентного режима.
2
Важным элементом во многих аспектах существующего изобретения является взаимодействие молекул жидкости с "активной поверхностью". Поверхность считают активной, если на ней происходит массовый обмен или теплообмен. Поверхность включает дно и стороны канавок, а также гребни между элементами. "Гребень" - это стенка или поверхность, соединяющая по крайней мере два открытых поверхностных элемента и открытая для канала основного потока. При увеличении количества взаимодействий жидкости с активной поверхностью также улучшается работа устройства. В случае химического реактора гетерогенный катализатор может быть расположен в поверхностных элементах, а также на вершинах или гребнях или на плоских областях микроканала и, необязательно, вдоль всех поверхностей или выбранных поверхностей. Вместо того, чтобы диффузия являлась единственной движущей силой для движения реагирующих компонентов к активной стенке, адвекция или конвекция потока становится доминирующей движущей силой для быстрого перемещения реагентов к каталитической стенке и удаления продуктов от стенки в объемный поток. Например, если только диффузия является доминирующей движущей силой для перемещения потока из объемного потока к активной катализаторной стенке, характеристическое время может составлять от нескольких до десятков миллисекунд для газообразных химических реакторов, которые работают с общим временем контакта от нескольких до десятков миллисекунд. Для потока метана и воздуха в 1 мм канале при 850°С и 1,0 бар диффузионная способность составляет приблизительно 2,2 см/с, а диффузионное расстояние от центра канального промежутка (предполагая, что катализатор расположен в элементах активной поверхности с обеих сторон микроканального промежутка) приблизительно равно 0,5 мм. Таким образом, характеристическое время для диффузии составляет порядка 1 миллисекунды.
Характеристическая средняя скорость в основном канале составляет 100 м/с для примера с высокой скоростью и высоко ламинарным числом Рейнольдса (Re порядка 700 для разбавленного потока метана в воздухе при 850°С и 1 атм). При этой скорости чисто ламинарного потока скорость по оси в 1,5 раз больше средней, т.е. 150 м/с. В канале длиной 10 см молекулы, проходящие вдоль оси канального промежутка, пробудут в канале, в среднем, около 0,7 мс. Таким образом, одной лишь диффузии будет недостаточно для того, чтобы молекулы реагентов попали на активную стенку с катализатором. Даже если бы скорость в основном канале была в десять раз меньшей, при средней скорости 10 м/с и числе Рейнольдса меньше 100 время пребывания молекул, находящихся на осевой линии (т.е. молекул около центра канального промежутка), увеличится до 7 мс. Таким образом, при наличии только лишь диффузии в среднем будет наблюдаться менее десяти столкновений молекул реагента на осевой линии с активной стенкой с катализатором.
Эти результаты совершенно иные в случае элементов активной поверхности, где тянущие и толкающие силы заставляют жидкость и реагенты попадать в поверхностные элементы. Результаты показали, что скорость потока в направлениях х и у (где z проходит вдоль длины потока, а х и у соответствуют боковому (от одной стороне к другой) и поперечному (от верха к низу) направлению потока, соответственно) не превышает среднюю скорость потока в направлении z в соответствующем плоском канале, но составляет порядка 1% или 5%, 10%, 20% или больше от средней скорости потока в направлении длины. Соответственно, для этого примера, средняя скорость в направлении у (от верхней к нижней части микроканала или между стенками с элементами активной поверхности, предполагая, что активные стенки расположены на обеих поверхностях) составляет, по меньшей мере, 1 м/с. При такой скорости характеристическое время для адвекции реагирующих молекул к стенкам элементов активной поверхности меньше 0,5 мс, что меньше половины времени, требуемого для диффузии. По мере повышения скорости в направлении у характеристическое время для адвекции соответственно сокращается.
Одна только эта разница во времени между конвекцией и диффузией говорит о части преимуществ, но не о всех. Дополнительное преимущество элементов активной поверхности состоит в уменьшении массовой дисперсии, что значительно повышает число контактов молекул из объемного потока в основном промежутке со стенкой элементов активной поверхности. Кроме того, как только молекулы входят в канавку элемента активной поверхности, они оказываются вне основного пути течения и на них не действует та же адвекция потока, которая перемещает молекулы из потока или вниз по потоку от канавок элементов активной поверхности. Таким образом, классическая дисперсия Тейлора-Ариса уменьшается, что позволяет молекулам проводить больше времени в элементе активной поверхности, улучшая требуемые показатели устройства.
Расположение катализатора в поверхностном элементе согласно уровню техники обеспечило бы лишь незначительное усовершенствование, поскольку цель предыдущих устройств состояла в том, чтобы позволить молекулам смешиваться в канале объемного потока, а не активно сталкиваться или взаимодействовать со стенками с элементами активной поверхности. Для настоящего изобретения желательно иметь по меньшей мере 1, 2, 3 или больше столкновений молекул на центральной линии со стенками элементов активной поверхности для хороших показателей работы. Далее, желательно, чтобы по меньшей мере 30% всей массы, поступающей по меньшей мере в один канал, который включает по меньшей мере одну секцию с поверхностным элементом, поступало по меньшей мере в один поверхностный элемент по меньшей мере один раз в секции поверхностных элементов. "Секция поверхностных элементов" определяется как непрерывный ряд близко расположенных поверхностных элементов в стенке вдоль длины потока микроканала. В способах настоящего изобретения "секция поверхностных элементов" - это место, где поток значительно не ослабляется до ламинарного параболического профиля потока между двумя элементами. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 70%, и еще более предпочтительно по меньшей мере 90% массы, входящей в канал, входит по меньшей мере в один элемент активной поверхности в секции поверхностных элементов.
В работе устройств, включая гомогенные химические реакции и теплообменники, взаимодействие компонентов объемного потока со стенкой элементов активной поверхности также является желательным для передачи тепла к соседней теплообменной камере. В отличие от микромешалок предыдущего уровня техники, желательно переместить объемный поток ближе к стенке и за ней, а не обязательно полностью и однородно смешивать объемный поток. Стенка элементов активной поверхности, которая перемещает свежую жидкость ближе к активной поверхности и за нее, является предпочтительной по сравнению со структурой, которая в основном перемешивает объемный поток.
Для этих применений характеристики улучшаются при более высоких числах Рейнольдса в противоположность ухудшению показателей при больших числах Рейнольдса, потому что потоки с большим количеством движения перемещаются в повторяющейся, вращающейся структуре потока, которая выносит объемный поток мимо элементов активной поверхности и по существу не останавливает вращение потока и пытается возвратить его в противоположном направлении. Как только поток начинает вращаться в постоянном направлении в элементах активной поверхности, он продолжается двигаться в том же самом направлении, таким образом демонстрируя высокое вихрение, так что жидкость у стенок элементов активной поверхности пополняется. Поскольку количество движения увеличивается при более высоких числах Рейнольдса, относительное вихрение или угловая сила, вращающая жидкость, также увеличивается, и, таким образом, число контактов или столкновений со стенками элементы активной поверхности или рядом с ними также увеличивается. В этих случаях, однако, одно только вихрение не является единственным элементом. Образцы, которые просто вращают жидкость в пути объемного течения, таком как создаваемый единственным угловым диагональным желобчатым элементом через ширину стенки микроканала, не обеспечивают перемещения центрального потока к элементам активной поверхности. В настоящем изобретении геометрия образца стенки с элементами активной поверхности может быть разработана таким образом, чтобы улучшить "контакт" (как определено для молекулы, проникающей через плоскость канавки элемента активной поверхности и поступающей в углубленную угловую канавку) с элементами активной поверхности. У предпочтительных элементов активной поверхности имеется больше одного угла по ширине по меньшей мере одной стенки микроканала. "По меньшей мере один угол" означает, что есть изменение в наклоне - элемент не прямая линия, а содержит изгиб; элемент предпочтительно является смежным, таким как шеврон или зигзаг; но в некоторых вариантах осуществления поверхностный элемент, имеющий "по меньшей мере один угол", может быть прерывистым, если элементы элемента расположены таким образом, что (за исключением промежутка) углубления или выступы соединяются - примером является шеврон с недостающей вершиной.
Для примеров из уровня техники относительное время, проведенное типичной молекулой в пределах поверхностных элементов, было меньше чем приблизительно 10%, в то время как для типичной молекулы в настоящем изобретении время, проведенное в пределах поверхностных элементов, предпочтительно больше чем приблизительно 15%, более предпочтительно больше чем 20% и более предпочтительно все еще больше, чем приблизительно 30% среднего времени пребывания в канале в элементах активной поверхности. Время, которое молекула проводит в пределах элемента активной поверхности, определяется временем, которое молекулы тратят после прохода через плоскость поверхностных элементов и перемещения из пути объемного течения. "Путь объемного течения" по существу непрерывен от входа до выхода, где элементы активной поверхности обычно начинаются и прекращаются вдоль пути течения.
Согласно изобретению улучшение характеристик элементов активной поверхности по сравнению с соответствующими лишенными элементов, плоскими или гладкими стенками обычно достигается при уменьшении времени пребывания. Лишенная элементов стенка определена микроканалом, у которого есть промежуток без глубины углубленных элементов и одинаковая ширина и длина. По мере увеличения числа Рейнольдса увеличивается важность инерционных сил. Для потоков с большей инерцией или количеством движения поддержание количества движения в одном основном направлении, вместо изменения направления или изменения его на противоположное, облегчает поддержание потока во вращающемся состоянии. Поскольку поток продолжает вращаться, он продолжает перемещать все больший и больший поток или больше молекул в элементы активной поверхности, где они могут взаимодействовать со стенками, которые обеспечивают обмен теплом, массой или и тем, и другим.
В одном аспекте изобретение обеспечивает микроканальное устройство, включающее: микроканал, включающий поверхностные элементы; по меньшей мере сегмент микроканала, характеризующийся длиной входного элемента более 10; отличающееся тем, что длина сегмента составляет, по меньшей мере, 1 см; тем, что указанный сегмент включает множество сходных, повторяющихся поверхностных элементов; и тем, что сходные, повторяющиеся поверхностные элементы включают, по меньшей мере, 1 угол в каждом сходном поверхностном элементе. Предпочтительно, большая часть окружности микроканала заполнена поверхностными элементами; например, противоположные поверхности прямоугольного микроканала.
В другом аспекте изобретение обеспечивает микроканальное устройство, включающее: микроканал, определенный по меньшей мере 3 стенками микроканала; по меньшей мере сегмент микроканала, характеризующийся числом длины входного элемента больше 10; отличающееся тем, что длина сегмента составляет, по меньшей мере, 1 см; тем, что указанный сегмент включает множество сходных, повторяющихся поверхностных элементов; и тем, что сходные, повторяющиеся поверхностные элементы включают, по меньшей мере, 1 угол в каждом сходном поверхностном элементе.
В другом аспекте изобретение обеспечивает микроканальное устройство, включающее: микроканал, включающий стенку микроканала, имеющую поверхностные элементы; отличающееся тем, что поверхностные элементы включают субструктуру, увеличивающую площадь поверхности стенок микроканала; и дополнительно включающее состав катализатора, расположенный по меньшей мере на поверхностных элементах, которые включают субструктуру.
В другом аспекте изобретение обеспечивает микроканальное устройство, включающее: микроканал, включающий стенку микроканала, включающую более 15 сходных, повторяющихся поверхностных элементов. Сходные, повторяющиеся поверхностные элементы включают по меньшей мере 1 угол в каждом сходном поверхностном элементе.
Любой из аспектов изобретения может быть далее охарактеризован любым из описанных здесь элементов. Например, в предпочтительных вариантах осуществления микроканал имеет две основные противоположные стенки, включающие поверхностные элементы, в которых глубина поверхностного элемента: канальный промежуток больше 0,3. В предпочтительных вариантах осуществления микроканалы работают параллельно и соединены через трубопровод. Распределение потока на параллельные микроканалы предпочтительно равномерно с меньшей чем 35% (25%, 10%) разницей в массовом потоке на канал.
Устройство согласно изобретению может демонстрировать отличные результаты для процессов, включающих гетерогенный катализ или теплопередачу с Re свыше 100.
В другом аспекте изобретение обеспечивает микроканальное устройство, включающее: микроканал, включающий стенку микроканала, включающую поверхностные элементы в мешалке с шахматным рисунком "елочка" (SHM), отличающееся тем, что SHM имеет промежутки между угловыми поверхностными элементами; и заполняющие элементы расположены в промежутках.
В еще одном аспекте изобретение обеспечивает способ обработки жидкости в микроканале, включающий: обеспечение наличия микроканального устройства, включающего микроканал;
отличающийся тем, что микроканал включает две противоположные стенки микроканала и промежуток между двумя противоположными стенками микроканала; тем, что по меньшей мере одна из стенок микроканала включает по меньшей мере 10 сходных поверхностных элементов в виде последовательности; тем, что каждый из сходных поверхностных элементов включает по меньшей мере один угол и отношение глубины поверхностного элемента: канального промежутка равно по меньшей мере 0,4; и протекание жидкости через микроканал при Re свыше 100.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления катализатор или сорбент расположен на поверхностных элементах. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления есть теплоотвод или источник тепла, контактирующий со стенкой микроканала, имеющей ряд сходных поверхностных элементов. Во многих предпочтительных вариантах осуществления способы изобретения используются с малым временем контакта и/или большими числами Рейнольдса (Re) и/или большими Ре (числами Пекле).
В другом аспекте изобретение предлагает способ обработки жидкости в микроканале, включающий: протекание жидкости через микроканал с числом Рейнольдса Re свыше 100; отличающийся тем, что микроканал включает поверхностные элементы; и выполнение операции устройства с жидкостью в поверхностных элементах. Операцией устройства может быть любая операция устройства из описанных здесь, не только смешивание (хотя смешивание обычно часто сопровождает другие операции устройства).
В другом аспекте изобретение предлагает способ обработки жидкости в микроканале, включающий: прохождение жидкости через вход канала в микроканал; отличающийся тем, что микроканал включает поверхностные элементы по меньшей мере в одной секции поверхностных элементов; где более 30% (предпочтительней, по меньшей мере, 50%, 75% или 90%) входной массы жидкости поступает в объем по меньшей мере одного поверхностного элемента в секции поверхностных элементов; выполнение операции устройства с жидкостью в секции поверхностных элементов. Масса жидкости, которая поступает в поверхностные элементы, определяется в соответствии с приведенными здесь способами и описаниями.
В следующем аспекте изобретение предлагает способ обработки жидкости в микроканале, включающий: обеспечение наличия микроканального устройства, включающего микроканал; отличающийся тем, что микроканал включает поверхностные элементы; тем, что поверхностные элементы включают по меньшей мере 1 угол в каждом поверхностном элементе; и тем, что теплоотвод или источник тепла находится в тепловом контакте с элементами активной поверхности. Жидкость проходит через микроканал с Re больше 100, приводя к передаче тепла жидкости, протекающей в микроканале, или от нее. Предпочтительно, теплоотвод или источник тепла включает теплообменник, который предпочтительно включает микроканалы.
SF
0
SF
0
В другом аспекте изобретение предлагает способ обработки жидкости в микроканале, включающий: обеспечение наличия микроканального устройства, включающего микроканал; отличающийся тем, что микроканал включает стенку микроканала, которая включает секцию, содержащую поверхностные элементы, пребывающие в тепловом контакте с источником тепла или теплоотводом; протекание жидкости через микроканал и теплообмен через по меньшей мере одну стенку микроканала между жидкостью и источником тепла или теплоотводом; тем, что падение давления происходит в секции, включающей поверхностные элементы; и тем, что тепло, переданное в секции, деленное на тепло, переданное при идентичных условиях в лишенной элементов секции (h/h), является по меньшей мере в 1,1 раза больше падения давления в секции, деленного на давление при идентичных условиях в лишенной элементов секции (dP/dP). "Лишенная элементов секция" не является другой секцией в том же устройстве, в которой нет элементов, но является моделируемым (путем эксперимента или расчетов) устройством, идентичным секции, за исключением того, что элементы заменены стенками. Изобретение также включает прибор, характеризующийся таким же улучшением теплопередачи, как измерено описанными здесь способами.
В следующем аспекте изобретение предлагает способ обработки жидкости в микроканале, включающий: обеспечение наличия микроканального устройства, включающего микроканал; отличающийся тем, что микроканал включает первую секцию и вторую секцию; тем, что первая секция включает первый ряд поверхностных элементов; тем, что вторая секция включает второй ряд поверхностных элементов; и прохождение жидкости через микроканал таким образом, что поток смешивается в первой и второй секциях, но ослабляется до по существу параболического потока между секциями. В предпочтительном варианте осуществления первый ряд поверхностных элементов имеет характеристики, отличные от характеристик второго ряда (например, различные средние глубины элементов - хотя любая из характеристик, описанных здесь, может быть выбрана). В некоторых вариантах осуществления первая операция устройства происходит в первой секции, а другая операция устройства происходит во второй секции.
В другом аспекте изобретение обеспечивает способ создания слоистого микроканального изделия, включающий: помещение первого листа с прозрачными поверхностными элементами рядом с листом, включающим микроканал, таким образом, что прозрачные поверхностные элементы располагаются на одной стороне микроканала; и помещение второго листа, включающего полости рядом с первым листом таким образом, что полость на втором листе находится рядом с по меньшей мере одним прозрачным элементом на первом листе. Полость может быть прозрачным элементом. Изобретение также предлагает прибор, изготовленный с применением любого из описанных здесь способов.
В еще одном аспекте изобретение предлагает способ нанесения тонкого покрытия на микроканал, включающий: обеспечение наличия микроканала, включающего множество сходных, повторяющихся поверхностных элементов, отличающийся тем, что сходные, повторяющиеся поверхностные элементы включают по меньшей мере 1 угол в каждом сходном поверхностном элементе; и нанесение тонкого покрытия на множество сходных, повторяющихся поверхностных элементов.
Изобретатели обнаружили улучшенные характеристики при использовании относительно глубоких элементов. Например, элементы, имеющие глубину, которая составляет по меньшей мере 20% промежутка между противоположными поверхностями микроканала; в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере 30%, а в некоторых вариантах осуществления от 20 до приблизительно 100% промежутка между противоположными поверхностями микроканала. В некоторых вариантах осуществления глубина поверхностных элементов составляет больше чем 100% промежутка, и они могут составлять даже 500% промежутка. Другой объект изобретения в некоторых предпочтительных вариантах осуществления - это отношение ширины поверхностного элемента к канальному промежутку.
Полезные применения изобретения включают без ограничения: гетерогенно катализируемые реакции (такие как те, в которых твердые катализаторы расположены на стенке микроканала); гомогенно катализируемые реакции; гомогенные некаталитические реакции; дистилляция; образование эмульсии; усовершенствованная теплопередача; смешивание; газожидкостные реакции; адсорбция, абсорбция и другие газово-жидкостные или жидкостно-жидкостные разделения. Изобретение может также быть полезным для других применений, для которых желательным является столкновение молекулы с активной стенкой. Например, датчик или поверхность детектора могут быть предпочтительно расположены в пределах элемента активной поверхности, таким образом, что больше объемных растворенных веществ может столкнуться и, таким образом, активизировать активную поверхность. Это может быть особенно полезным для разбавленного агента в жидкости. Это изобретение может также быть полезным для разрушения ненужных молекул, разбавленных или сконцентрированных, в жидкости при протекании мимо активного преобразующего или разделяющего агента на поверхности при расположении в элементе активной поверхности. Изобретение может также быть полезным для ферментативной реакции или биореактора, где также предпочтительно, чтобы реагирующая молекула сталкивалась с катализатором, который может быть веществом на биологической основе, таким как фермент, или обычным гетерогенным катализатором. Изобретение может быть дополнительно усовершенствовано, если катализатор связан или соединен с поверхностью, но также частично выступает над поверхностью, обеспечивая большую площадь поверхности. Выступающая поверхность связанного катализатора или связанного активного агента, такого как сорбент, или другая поверхность, которая взаимодействует химически или физически с молекулой растворенного вещества, могут выступать на малую часть общей глубины поверхностного элемента выше стенки (<10%) или может выступать на значительную часть общей глубины поверхностного элемента выше стенки (от 10% до 100%). В некоторых процессах согласно изобретению выступающие поверхности или соединения могут выступать в путь объемного течения. Соединения могут быть твердыми или недвижущимися вместе со сдвигом жидкости в поверхностных элементах или пути объемного течения, или соединения могут перемещаться со сдвигом жидкости. В случае нетвердых соединений это вторичное движение может создать дополнительные пространственные или временные градиенты в поле течения жидкости или движения самих соединений. Последнее может предоставлять дополнительное преимущество в виде дополнительного уменьшения ограничений по транспортировке масс между молекулами жидкости и активными агентами, расположенными или на стенках элементов активной поверхности или на связанных выступах, присоединенных к ним.
Изобретение также включает способы каталитического химического преобразования (например, гомогенное образование этилена или гетерогенное преобразование метана с применением пара), включающие протекание состава жидкости реагента в микроканале, отличающиеся тем, что катализатор присутствует в микроканале или может попеременно совместно подаваться с реагентом, и реагирование состава жидкости реагента с получением требуемого продукта (или продуктов) в микроканале. Изобретение также включает способы проведения операций устройства, используя любой из описанных здесь устройств.
Изобретение включает предварительно соединенный штабель листов, а также соединенное устройство. Под соединением понимают связывание любыми способами, включая: диффузионное соединение, припаивание, приваривание, склеивание, реактивное соединение и другие способы. Соединенное устройство может включать или может не включать покрытие (такое как каталитическое покрытие) на заполненных образцом областях и/или в углублениях заполненной образцом области. Изобретение также включает химические процессы, проводимые в любом из описанных здесь устройств.
В следующем аспекте изобретение предлагает способ химической обработки, включающий: прохождение жидкости в любое описанное здесь устройство. Изобретение включает устройство и способы, которые используют поверхностные элементы, улучшающие смешивание. Изобретение может быть также описано в контексте смешивания жидкостей, которые протекают через микроканал (например, любой из типов смешивания в Примерах).
СЛОВАРЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕРМИНОВ
"Поверхностный элемент" - это выступ или углубление в стенке микроканала, которые изменяют поток в микроканале. Если область сверху элементов такая же или превышает область в основании элемента, элемент можно считать углубленным. Если область в основе элемента превышает область сверху элемента, его можно считать выступающим (за исключением CRF, рассмотренных ниже). У поверхностных элементов есть глубина, ширина и длина для некруглых поверхностных элементов. Поверхностные элементы могут включать круги, продолговатые формы, квадраты, прямоугольники, "галочки", шевроны, зигзаги и т.п., расположенные как углубления в стенке основного канала. Поверхностные элементы могут содержать субэлементы, где основные стенки первых углубленных элементов также содержат меньшие элементы, которые могут принимать форму выемок, волн, лунок, отверстий, неровностей, "галочек", шероховатостей и т.п. Некоторые неограничивающие примеры периметров поверхностных элементов показаны на Фиг.1d.
"Полость" - это частичный или полный элемент в стенке или листе, который может быть элементом активной поверхности, щелями, отверстиями, нерегулярными или регулярными формами или другим объемом, где поток жидкости является диффузионным или адвективными или и тем, и другим в элементах.
"Компактные углубленные элементы" - это углубления в основном канале. У компактных углубленных элементов (CRF) нет иного выхода потока, кроме основного канала. Каждый CRF имеет один или несколько замкнутых периметров в интерфейсе с основным промежутком, причем поверхность, охваченная каждым периметром, является повсюду ортогональной к направлению объемного потока в основном канале, и полная область, охваченная всеми периметрами углубленных элементов в интерфейсе с основным каналом, составляет более 50% площади стенки для данной стенки в основном канале. В CRF нет непрерывного пути потока от одного элемента к следующему без повторного входа в основной канал. Выступы не являются углубленными элементами или CRF.
Два элемента являются "сходными элементами" или "аналогичными элементами", если, по меньшей мере, 50% (предпочтительно, по меньшей мере, 80%) периметра одного элемента (периметр является интерфейсом между поверхностным элементом и основным каналом) может совмещаться с периметром другого элемента путем перемещения вдоль длины в направлении объемного потока в основном канале при повороте менее чем на 20° (или, более предпочтительно, без поворота) периметра любого элемента, и, по меньшей мере, 50% (предпочтительно, по меньшей мере, 80%) периметра другого элемента может совмещаться с периметром одного элемента путем перемещения вдоль длины в направлении объемного потока в основном канале при повороте менее чем на 20° (или, более предпочтительно, без поворота) периметра любого элемента. Если периметр, определяющий интерфейс между поверхностным элементом и основным каналом, не является плоским, то ортогональная (т.е. ортогональная к направлению объемного потока в основном канале) проекция каждого периметра должна использоваться для определения того, являются ли элементы сходными.
Длина и ширина поверхностного элемента определяются таким же образом, как и для микроканала. Глубина - это расстояние, на которое элемент опускается в поверхность микроканала; она имеет то же направление, что и высота микроканала и микроканальный промежуток. В одном предпочтительном варианте осуществления, включающем сложенное в штабель и соединенное устройство с поверхностными элементами на поверхностях листов, глубина поверхностных элементов соответствует направлению штабелирования. Эти размеры поверхностных элементов соответствуют максимальному размеру элемента; например, глубина округленной канавки соответствует максимальной глубине, т.е. глубине в нижней части канавки.
Глубина элемента: среднее расстояние от плоскости, где поверхностный элемент пересекает основной канал к нижней части поверхностного элемента (нижняя часть или дно - это плоскость, касательная к краю поверхностного элемента, который является самым удаленным от плоскости, где поверхностный элемент пересекает основной канал, и параллельным ей).
Ширина или промежуток элемента: номинальное значение самого малого размера поверхностного элемента в плоскости, где поверхностный элемент пересекает основной канал, или расстояние от края поверхностного элемента до края поверхностного элемента.
Длина отрезка элемента: номинальное значение самого большого размера отрезка поверхностного элемента в плоскости, где поверхностный элемент пересекает основной канал.
Отрезок (поверхностного) элемента: часть элемента, не имеющая разрыва или изменения в знаке наклона вдоль длины относительно среднего направления объемного потока в основном канале.
Интервал повторяющихся элементов: среднее расстояние между повторяющимися элементами в направлении, перпендикулярном длине отрезка элемента
Угол элемента: угол между направлением длины отрезка поверхностного элемента и плоскостью, ортогональной к среднему направлению объемного потока в основном канале. Предпочтительно, поверхностный элемент имеет больше одного угла. Угол может изменяться от больше нуля до меньше нуля. Угол может изменяться вдоль элемента непрерывно или с разрывами.
Ориентация элемента: ориентация секции повторяющихся поверхностных элементов относительно идентичных элементов на смежной или противоположной стенке в основном канале.
Ориентация потока относительно элемента: направление среднего объемного потока в основном канале относительно ориентации элемента углубленного в данной стенке основного канала. Обозначение А используется для указания направления среднего объемного потока в основном канале, для которого длины каждого отрезка двухсекционного поверхностного элемента имеют тенденцию сходиться или перемещаться ближе вдоль среднего направления объемного потока основного канала. Обозначение В используется для указания направления, противоположного потоку, относительно поверхностного элемента. Для элементов с больше чем двумя отрезками ориентация А соответствует средней или результирующей длине элемента, который является более сходящимся, чем расходящимся относительно среднего направления потока. Наоборот, ориентация В соответствует средней или результирующей длине элемента, который является более расходящимся, чем сходящимся относительно среднего направления потока.
"Капиллярные элементы" - это элементы, связанные с микроканалом, которые используются для того, чтобы содержать жидкие вещества. Они углублены в стенке микроканала или выступают из стенки микроканала в путь потока, который расположен рядом со стенкой микроканала. Элементы создают промежутки менее 2 мм, более предпочтительно 1 мм или меньше, еще более предпочтительно 500 мкм или меньше. У элементов есть, по меньшей мере, один размер, который меньше чем любой размер микроканала, в котором они расположены. Капиллярные элементы могут быть под любым углом для структуры щелевого типа, набора отверстий или любой другой утопленной или выступающей структуры, которая служит для удержания жидкости с помощью капиллярных сил.
"Катал и заторный материал" - это материал, который катализирует желательную реакцию. Неограничивающие примеры катализаторных материалов включают металлы, оксиды металлов и кислотные участки.
"Катализаторный металл" является предпочтительной формой катализаторного материала и является материалом в металлической форме, который катализирует желательную реакцию. Особенно предпочтительными катализаторными металлами являются Pd, Rh, Re, Ir и Pt.
"Операция химического устройства" означает реакции, разделения, нагревание, охлаждение, испарение, конденсацию и смешивание.
"Смежный микроканал" - это микроканал, охваченный стенкой или стенками микроканала без значительных разрывов или отверстий, подразумевая то, что отверстия (если присутствуют) составляют не больше 20% (в некоторых вариантах осуществления не больше 5%, а в некоторых вариантах осуществления - без отверстий) области стенки или стенок микроканала, на которых расположено(ы) отверстие(я).
"Внутренний микроканал" означает микроканал, который ограничен со всех сторон стенкой или стенками микроканала за исключением входов и выходов, и, необязательно, соединяет отверстия вдоль длины микроканала, такие как пористые разделения или отверстия, такие как соединяющие отверстия между топливным каналом и каналом окислителя.
"Трубопровод" - это верхняя или нижняя труба, которая соединяет несколько параллельных микроканалов и является составляющей устройства.
"Микроканал" - канал, имеющий, по меньшей мере, один внутренний размер (от стенки до стенки, не считая катализатора), равный 1 см или меньше, предпочтительно, 2 мм или меньше (в некоторых вариантах осуществления приблизительно 1,0 мм или меньше) и больше чем 100 нм (предпочтительно больше чем 1 мкм), и в некоторых вариантах осуществления 50-500 мкм. Микроканалы также определяются наличием, по меньшей мере, одного входа, который отличается от, по меньшей мере, одного выхода. Микроканалы - это не просто каналы в цеолитах или мезопористых материалах. Длина микроканала соответствует направлению потока через микроканал. Высота и ширина микроканала по существу перпендикулярны направлению потока через канал. В случае слоистого устройства, где у микроканала есть две основные поверхности (например, поверхности, образованные уложенными в штабель и соединенными листами), высота - это расстояние от основной поверхности до основной поверхности, и ширина перпендикулярна высоте. "Глубина" поверхностного элемента имеет то же направление, что и "высота" микроканала.
"Масса жидкости, входящей в поверхностный элемент", определяется как количество массы на входе секции поверхностных элементов, которая поступает, по меньшей мере, в один поверхностный элемент в секции поверхностных элементов, причем вход в поверхностный элемент означает, что молекула жидкости пересекает плоскость углубленного поверхностного элемента и перемещается из объемного потока канала. Расчетную гидрогазодинамику (CFD) следует использовать для определения процента от массы, которая входит, по меньшей мере, в один поверхностный элемент в секции поверхностных элементов, что позволит определить линии путей потока жидкости, иллюстрируемые и отслеживаемые в секции поверхностных элементов. Секция поверхностных элементов должна быть дискретизована с минимумом 6 объемными ячейками направлении глубины и длины для получения разумной дискретизации потока, причем основной прямой канал дискретизируют с образованием ячеек пропорционального размера для поддержания непрерывности размеров ячеек в канале, смежном с поверхностными элементами и промежутками между поверхностными элементами. Правильная гидродинамическая модель должна использоваться для входной скорости потока и поперечного сечения. Решение должно хорошо сходиться, так что общая сумма всех скоростей потока входных масс должна отличаться от общей скорости потока выходной массы не более чем на 0,0001%, а энергетический баланс на входе в систему должен равняться балансу на выходе с различием не более чем 1%. Код CFD должен равномерно распределять, по меньшей мере, 100 линий пути равномерно по поперечному сечению канала на его входе. Процент от линий пути, которые входят, по меньшей мере, в один поверхностный элемент, в свою очередь представляет процент массы, которая входит, по меньшей мере, в один поверхностный элемент.
Основной канал: открытый путь для объемного потока.
Ширина (основного) канала: наибольший размер поперечного сечения прямоугольного основного канала.
(Основной канальный) промежуток: наименьший размер поперечного сечения основного канала.
Среднее направление объемного потока в основном канале: среднее направление потока вдоль части основного канала для потока, идущего от входа к выходу.
Число Рейнольдса, Re, является обычно используемым отношением инерционных сил к силам вязкости в потоке в канале. Его определение - отношение скорости потока массы (G), умноженной на гидравлический диаметр (D), деленной на динамическую вязкость (µ),
Значение числа Рейнольдса описывает режим течения потока. В то время как зависимость режима от числа Рейнольдса - функция формы и размера поперечного сечения канала, для каналов обычно используются следующие диапазоны: Ламинарный: Re<2000-2200; Переходный: 2000-2200<Re<4000-5000; Турбулентный: Re>4000-5000.
"Операция устройства" означает химическую реакцию, испарение, сжатие, химическое разделение, дистилляцию, конденсацию, смешивание, нагревание или охлаждение. "Операция устройства" не означает просто транспортировку жидкости, хотя транспортировка часто сопровождает операции устройства. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления операция устройства представляет собой не только смешивание.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1а показан образец поверхностного элемента с чередующими рядами элементов для смещения потока в микроканале.
На Фиг.1b показан ряд похожих элементов в образце поверхностных элементов.
На Фиг.1с показаны некоторые варианты образцов, образованных противоположными поверхностными элементами.
На Фиг.1d показаны некоторые возможные формы поверхностных элементов.
На Фиг.2а-2е показаны различные образцы капиллярных/поверхностных элементов.
На Фиг.3a-3k показаны различные образцы поверхностных элементов.
На Фиг.4а приведен вид сверху различных образцов поверхностных элементов, которые при складывании штабелем в смежных слоях образуют слоистый поверхностный элемент.
На Фиг.4b приведен вид спереди 3-мерных поверхностных элементов, где углубленные шевроны примыкают к объемному потоку в микроканале и имеют дополнительные элементы различной формы позади них на разной глубине и в разных местах.
На Фиг.5 показаны субобразцы на поверхностных элементах для увеличения площади поверхности.
На Фиг.6 изображен образец поверхностного элемента, проанализированного в Примерах.
Фиг.7 иллюстрирует улучшение теплопередачи, обеспечиваемое образцом поверхностных элементов на Фиг.6.
На Фиг.8 показано улучшение преобразования метана в поверхностных элементах по сравнению с вариантом отсутствия поверхностных элементов.
Фиг.9 иллюстрирует падение давления при наличии поверхностных элементов и без них.
Фиг.10 иллюстрирует соотношение падения давления и числа Рейнольдса с поверхностными элементами и без них.
Фиг.11 иллюстрирует сравнение измеренного и предсказанного поглощения покрытием при ожидаемой поверхности жидкости с углом контакта 45° и капиллярными элементами, которые полностью заполняются жидкостью покрытия (полная канавка).
Фиг.12 иллюстрирует сравнение поглощения катализатора на плоском образце (FC) по сравнению с образцами с капиллярными элементами глубиной 5 мил (127 микрон), 3 мил (76 микрон) или 1 мил (25 микрон).
Фиг.13 иллюстрирует сборку корпуса испытательного устройства и вставленного образца.
Фиг.14 сопровождает пример, показывая изменение отношения увеличения коэффициента теплопередачи к увеличению падения давления как функцию числа Рейнольдса.
Фиг.15 иллюстрирует место высвобождения частиц для приведенного примера.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
"Поверхностные элементы" являются углублениями (или, в менее предпочтительных вариантах осуществления, выступами на стенке) в стенке микроканала, которые содействуют направлению потока в направлении, отличном от направления результирующего потока через микроканал (т.е. отличном от направления длины микроканала) или создает вращение потока. Элементы увеличивают площадь поверхности и создают конвективный поток, который приносит жидкости к стенке микроканала путем адвекции, а не диффузии. Структуры потока могут образовать завихрения, вращения, перевороты и иметь другие нерегулярные и или хаотические образцы - хотя структура потока не обязательно должна быть хаотической и в некоторых случаях может быть весьма регулярной. Структуры потока устойчивы во времени, хотя они могут также подвергаться вторичным переходным вращениям. Поверхностные элементы предпочтительно расположены под непрямыми углами: ни параллельно, ни перпендикулярно к направлению результирующего потока на поверхности. Поверхностные элементы могут быть ортогональными, т.е. располагаться под углом 90° к направлению потока, но предпочтительно являются расположенными под другим углом. Элементы активной поверхности предпочтительно определены больше чем одним углом вдоль ширины микроканала, по меньшей мере, в одном осевом расположении. Две или больше сторон поверхностных элементов могут быть физически связаны или не связаны. Один или несколько углов вдоль ширины микроканала оказывают предпочтительное действие по выталкиванию и вытягиванию жидкости из прямых ламинарных направлений потока. Для вариантов осуществления, в которых необходимо сравнить теплопередачу с плоским каналом, все поверхностные элементы могут быть определены как углубленные.
"Смешивание через промежуток" означает смешивание потоков в пределах микроканала в направлении, перпендикулярном объемному потоку; в каналах с прямоугольным поперечным сечением этот термин относится к смешиванию в промежутке между двумя основными поверхностями. Это достигается путем размещения поверхностных элементов на обеих основных поверхностях микроканала. Принципы построения для достижения этого типа смешивания включают: (1) обеспечение по существу углового компонента в направлении длины поверхностного элемента относительно среднего направления объемного потока в основном канале. Скорость в основном канале около верхнего по течению края каждого отрезка поверхностного элемента будет иметь тенденцию быть выше, чем около нижнего по потоку края каждого отрезка поверхностного элемента. Координация между образцами поверхностных элементов в верхних и нижних стенках может оказывать действие по увеличению перпендикулярного компонента вектора скорости и, таким образом, имеет большее влияние по снижению внешнего сопротивления массообмену, когда боковое смешивание не рассматривается в значительной степени. Например, если поверхностные элементы углублены в противоположных стенках, использование конфигурации "цис", может быть более предпочтительным, чем конфигурации "транс" элементов активной поверхности для предотвращения формирования одного или нескольких ядер потока в объеме, которые не так легко сместить к элементам активной поверхности. (2) Обеспечение адекватного числа смежных элементов таким образом, что жидкость перемещается через весь канальный промежуток. Больше углов, изгибов, завихрений или иных изменений направления в пределах одного поверхностного элемента будут перемещать или смешивать поток через канал, но, возможно, не будут предпочтительным решением для того, чтобы увеличить часть времени пребывания, которое элемент тратит на пребывание в элементах активной поверхности. Предпочтительно иметь больше чем один угол в одном или нескольких поверхностных элементах вдоль ширины микроканала, по меньшей мере, в одном осевом расположении, где элементы по ширине могут быть или могут не быть физически связанными. Выравнивание смежных элементов или вложенные углы будут также действовать на жидкость, оттягивая ее в боковом направлении в канале. (3) Обеспечение множества повторяющихся, по существу аналогичных или "сходных" элементов вдоль длины потока для любой имеющейся стенки микроканала. Повторение сходных элементов вдоль длины потока поддерживает непрямые (т.е. образовывающие завихрения) структуры потока в основном канале по мере того, как поток проходит по длине канала.
Множество элементов может быть включено в любой конкретный микроканал, в т.ч. элементы, углубленные на разную глубину в стенке или стенках микроканала. Предпочтительно, интервал между углублениями находится в диапазоне от 0,05 мм до 10 мм, более предпочтительно в диапазоне от 0,1 до 1 мм. Поверхностные элементы могут присутствовать по всему микроканалу или в его части. Часть области, имеющей поверхностные элементы, может прерываться, чтобы содействовать требуемой реакции или операции устройства в специально выполненных зонах. Например, секция 2,5 см микроканала может иметь близко расположенные поверхностные элементы, за которыми следует 10 см плоского канала, а затем 5 см более свободно расположенных поверхностных элементов. Свободное расположение означает, что шаг между поверхностными элементами или расстояние от одного элемента до другого более чем в 5 раз превышает ширину поверхностного элемента.
В некоторых вариантах осуществления поверхностные элементы проходят по существу по длине микроканала (не включая распределения потока или части трубопровода). В некоторых вариантах осуществления микроканал может иметь поверхностные элементы на 50% или менее его длины, в некоторых вариантах осуществления - на 20% или менее его длины, а в некоторых вариантах осуществления - на 10-100% длины микроканала. В некоторых вариантах осуществления может быть предпочтительно включать поверхностные элементы в секции трубопровода или распределения потока, а также способствовать или адаптировать теплопередачу или адаптировать распределение потока путем изменения падения давления в некоторых каналах или секциях, чтобы модифицировать распределение потока.
Лучшее смешивание и показатели работы в операциях устройства могут быть обеспечены путем сочетания элементов смешивания по ширине с элементами смешивания по промежутку. Для обеспечения полного смешивания указанные два принципа построения могут применяться совместно. Желательные элементы включают: расположение поверхностных элементов на противоположных стенках канала, формирование элементов на любой одной стороне, чтобы позволить жидкости двигаться назад и вперед через ширину канала; и выравнивание входов поверхностных элементов на одной стороне со входами поверхностных элементов на противоположной стороне. Т.е. предпочтительным является координирование элементов между верхней и нижней пластинами так, чтобы образцы на двух сторонах были по существу в ориентации "цис" один по отношению к другому, а не в конфигурации "транс".
В одном предпочтительном варианте осуществления множество сходных поверхностных элементов типа шеврон или "галочка" располагаются на одной стенке, и аналогичное множество сходных элементов, расположенных под тем же самым углом или под, по существу, перевернутым углом (транспозиция на 180°), создает особенно полезный образец для перемещения потока и молекул внутри элементов активной поверхности и увеличения времени, проводимого в элементах активной поверхности, непропорционально увеличению числа Рейнольдса.
Минимальное число сходных элементов, которые предпочтительно размещают последовательно вдоль длины канала, зависит от канального промежутка глубины поверхностного элемента. Сходные или аналогичные элементы являются копиями друг друга, помещенными рядом вдоль длины канала. Пример приведен на Фиг.1b. Структуры потока, обеспечиваемые этими элементами, не считаются турбулентным потоком, особенно снаружи в объемном потоке. Поток лучше описать как "направленный ламинарный" поток.
Поверхностные элементы могут иметь два или больше слоев, расположенных один над другим или переплетенных в виде 3-мерной структуры. Образец в каждом дискретном слое может быть одним и тем же или отличаться. Поток может поворачиваться или адвектировать в каждом слое или только в одном слое. Подслои (определенные как не смежные с каналом объемного потока) могут использоваться только для того, чтобы создать дополнительную площадь поверхности для нанесения катализатора, причем поток вращается в первом уровне поверхностного элемента и диффундирует молекулярно во второй или дальнейшие подслои с целью содействия реакции. Трехмерные элементы могут изготовляться путем литья металлов или других процессов, если изменяющиеся образцы не могут быть разбиты на отдельные плоскости, сложенные штабелем одна на другую. Трехмерные изменяющиеся поверхностные элементы могут располагаться рядом с каналом объемного потока, так что элементы имеют разную глубину, форму и местоположение, а также подэлементы с разной глубиной, формой и местоположением. Структуры согласно изобретению могут быть полезными для химических реакций, требующих дополнительной площади поверхности для нанесения катализатора, или для химических разделений, таких как дистилляция.
Фиг.4b иллюстрирует трехмерную структуру поверхностных элементов, где углубленные шевроны находятся в интерфейсе, смежном с микроканалом объемного потока, а ниже шевроны являются рядами 3-мерных структур (светлые линии), которые соединяются с элементами, смежными с путем объемного течения, но выполнены в виде структур различных форм, глубин и местоположений. Может быть также полезно создать проходы между подслоями, которые не проходят непосредственно под элементом открытой поверхности рядом с микроканалом объемного потока, а соединяются через один или несколько извилистых 2-х или 3-мерных проходов. Это направление может оказаться полезным для создания специальных распределений по времени пребывания в реакторах, где может быть желательно иметь более широкое распределение времени пребывания, а не более узкое распределение.
На Фиг.2а изображены поверхностные элементы с разными образцами (по оси) и разными глубинами (в стороны). Образец поверхностных элементов на Фиг.2а представляет пространственно изменяющуюся глубину поверхностных элементов в пределах одного поверхностного элемента и или между любыми двумя поверхностными элементами в пределах секции поверхностных элементов. Это может быть особенно выгодно для некоторых применений, где изменение глубины поверхностного элемента в пределах поверхностного элемента может создавать большее вращение или завихрение потока, так что внешнее сопротивление массообмену между жидкостями или от жидкости к стенке с катализатором будет значительно уменьшено.
Образец на Фиг.2b может быть особенно полезным в качестве образца поверхности нижнего слоя, который расположен ниже, по меньшей мере, одного или нескольких других листов с образцами, чтобы увеличить имеющуюся площадь поверхности для катализатора или агента массообмена. Образец на Фиг.2 с иллюстрирует поверхностные элементы с элементами в виде штриховки.
Образец на Фиг.2d содержит угловые элементы и горизонтальный элемент. Геометрия элемента может изменяться вдоль длины канала процесса. Эта структура может быть особенно полезной в качестве образца поверхности нижнего слоя, который используется для удержания большего количества катализатора или агента массообмена, а также создания большей глубины в угловых элементах, которые могут предпочтительно располагаться рядом с этим листом. Второй и угловой лист расположен рядом с путем течения и вызывает вращение потока. Изменяющиеся глубины угловых элементов могут создавать большую турбулентность или заметную турбулентность в путях течения.
Предпочтительные диапазоны глубины поверхностных элементов - менее 2 мм, более предпочтительно - менее 1 мм, а в некоторых вариантах осуществления - от 0,01 мм до 0,5 мм. Предпочтительный диапазон поперечной ширины поверхностного элемента - это значения, достаточные для того, чтобы охватить почти всю ширину микроканала (как показано на образцах "елочка"), но в некоторых вариантах осуществления (таких как заполняющие элементы) возможен охват 60% или меньше, а в некоторых вариантах осуществления - 40% или меньше, и в некоторых вариантах осуществления - от приблизительно 10% до приблизительно 50% ширины микроканала. В предпочтительных вариантах осуществления, по меньшей мере, один угол образца поверхностных элементов ориентирован под углом 10°, предпочтительно 30° или больше относительно ширины микроканала (90° соответствует параллели направлению длины, а 0° параллельно направлению ширины). Поперечная ширина измеряется в том же самом направлении, что и ширина микроканала.
Поперечная ширина поверхностного элемента равна предпочтительно от 0,05 мм до 100 см, в некоторых вариантах осуществления находится в диапазоне от 0,5 мм до 5 см, а в некоторых вариантах осуществления от 1 до 2 см.
Углубленные элементы на противоположных сторонах микроканала могут быть скоординированы для значительного повышения уровней тепло- и массопередачи. По существу диагональный (относительно длины или направления потока) путь течения, утопленный в стенке микроканала, является основным элементарным звеном, используемым в настоящем изобретении, чтобы улучшить структуры потока. Они могут быть скоординированы на противоположных стенках, чтобы обеспечить неожиданно лучшее смешивание по сравнению с такими же или схожими образцами только на одной стенке. Ввиду в основном диагональной природы углубленного пути течения скорость в углубленном канале содержит значительную составляющую, параллельную или расположенную под углом к среднему направлению объемного потока в микроканале, таким образом, вызывая значительный поток в углубленном канале. Однако, когда одни диагональные пути течения в углубленном канале на одной основной стороне микроканала должным образом скоординированы с другими, расположенными на противоположной стороне, можно эффективно усилить поток, перпендикулярный среднему направлению объемного потока в открытом микроканале. Перпендикулярный поток особенно полезен для уменьшения внешних ограничений по массо- и теплопередаче, наблюдаемых в микроканалах с ламинарным потоком. Конкретнее, скорость адвентивного потока, перпендикулярного направлению объемного потока, приносит жидкости к стенке микроканала со скоростью, которая, по меньшей мере, в 2, 5 или 10 раз превосходит скорость массопередачи благодаря только диффузии. В реакциях, протекающих благодаря катализаторам, прикрепленным к стенкам микроканала или опорной структуре рядом со стенкой микроканала, будет наблюдаться более высокая поверхностная концентрация реагентов и, следовательно, более высокая общая скорость реакции. Теплопередаче также способствуют перпендикулярные векторы адвекции и скорости, поскольку они увеличивают поверхностный коэффициент теплопередачи и уменьшают ограничения граничного слоя относительно температуры жидкости. Этот индуцированный перпендикулярный поток может быть поддержан в некоторых предпочтительных вариантах осуществления путем: (1) стратегического размещения элементов, которые имеют тенденцию "оттягивать" поток в углубленные каналы на одной стороне в позиции относительно других элементов на противоположной стороне, которые имеют тенденцию "оттягивать" поток в углубленные каналы на противоположной стороне (т.е. конфигурация "цис"), (2) поддержание противоположных стенок на достаточно близком расстоянии (поддержание микроканального промежутка достаточно узким) для обеспечения взаимодействия между противоположными сторонами.
В целом, если поперечное смешивание является желательным (по ширине канала), элементы на противоположных сторонах должны содействовать потоку с по существу диагональным компонентом в плоскости, перпендикулярной направлению среднего объемного потока. В этом случае элементы должны быть скоординированы для этого. По существу диагональные элементы, углубленные в стенке открытого микроканала, имеют компоненты длины в среднем направлении объемного потока, который предпочтительно равен или больше чем, и более предпочтительно, по меньшей мере, два раза больше компонента в поперечном направлении (направление ширины канала).
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления смешивание далее улучшается путем создания множества точек в канале, где поток вначале разделяется (расхождение потока), а затем объединяется (конвергенция потока) с потоком в других положениях. Это может быть достигнуто в настоящем изобретении путем использования по существу диагональных элементов, которые попеременно расходятся и сходятся. Например, множество шевронов или углов могут размещаться поперек канала относительно одной точки, угла или шеврона в фиксированной позиции по оси микроканала. Предпочтительные образцы расхождения и схождения этих элементов используют три указанных выше принципа, а именно: координация относительного местоположения элементов на противоположных сторонах, баланс количества расходящихся и сходящихся элементов как в направлении потока, так и по ширине (перпендикулярно среднему объемному потоку и в микроканальном промежутке между сторонами, содержащими углубленные элементы), и наличие достаточно малого промежутка в открытом микроканале (см. упомянутые выше размеры промежутка). В некоторых предпочтительных вариантах осуществления количества сходящихся и расходящихся элементов сведено к минимуму и повторяются по существу сходные элементы.
На Фиг.1с показаны некоторые варианты перекрывания поверхностных элементов на противоположных стенках. Поскольку элементы на противоположных сторонах на Фиг.1с по существу расположены в конфигурации "транс", не ожидают, что они будут такими же эффективными для смешивания как в случае, когда элементы на противоположных сторонах располагаются в конфигурации "цис".
В настоящем изобретении могут использоваться покрытые элементами поверхности на обеих сторонах микроканала или только на одной стороне микроканала. Например, поверхность может быть скомбинирована (на противоположных сторонах микроканала) с отрезком сходной структуры с диагональными полосами (полосы предпочтительно являются углублениями), которые:
выровнены, расположены в шахматном порядке или пересекаются с противоположной поверхностью. В некоторых случаях сочетание обеспечивает лучшее смешивание, чем структуры каналов только на одной основной поверхности, особенно при увеличении основного канального промежутка свыше 1 мм. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления образец состоит по существу из диагональных углублений, расположенных по существу по всей ширине поверхности микроканала. Часть поверхности с образцом может занимать часть или всю длину поверхности микроканала; в некоторых вариантах осуществления диагональные углубления расположены на, по меньшей мере, 10%, 20%, 50% или, по меньшей мере, 80% длины поверхности микроканала. В некоторых вариантах осуществления элементы включают диагональные элементы (предпочтительно углубления (включая CRF)), которые имеют один или несколько углов относительно направления потока. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления у элементов есть два или больше углов, по меньшей мере, на одной стенке относительно направления потока. Углы могут быть соединены или не соединены в вершине или точке. Различные углы по ширине, по меньшей мере, одной стенки микроканала в, по меньшей мере, одном положении по оси "толкают" и "оттягивают" жидкость в различных направлениях и улучшают боковой и поперечный поток относительно прямого и ламинарного (в противном случае) потока. При усилении бокового и поперечного потока он предпочтительно лучше входит в элементы активной поверхности при увеличении числа Рейнольдса.
В другом аспекте поверхность с образцами включает множество образцов, уложенных штабелем один на другой. В одном примере образец или множество отверстий размещены рядом со стенкой теплопередачи, а второй образец, такой как диагональные элементы или множество шевронных элементов, расположен сверху и рядом с открытым каналом для потока. Лист рядом с открытым промежутком содержит образцы по всей толщине листа таким образом, что поток может пройти через лист в нижний образец. Поток может осуществляться путем адвекции или диффузии. Например, первый лист со множеством сквозных отверстий может быть помещен на стенку теплопередачи, а второй лист со множеством диагональных сквозных прорезей или шевронов может размещаться на первом листе. Этот предпочтительный вариант осуществления создает большую площадь поверхности для размещения катализатора или другого активного вещества, включая адсорбирующее вещество, фитиль, и т.д. В некоторых вариантах осуществления образец повторяется, по меньшей мере, на одной другой стенке микроканала. Образцы предпочтительно могут быть смещенными на противоположных стенках. Самые внутренние шаблонные поверхности (т.е. поверхности, ограничивающие канал потока) могут содержать образец, такой как множество диагоналей. Множество диагоналей может быть ориентировано в направлении потока (ориентация "цис"), или одна сторона может быть ориентирована по направлению потока, а противоположная сторона - против направления потока (ориентация "транс"). Изменяя поверхностные элементы на противоположных стенках, можно получать различные поля течения и степени турбулентности в жидкости, которая течет по центру и в открытом промежутке.
Промежуток между стенками микроканала (т.е. свободный путь объемного течения) предпочтительно составляет 10 мм или меньше, более предпочтительно 5 мм или меньше, в некоторых вариантах осуществления - в диапазоне от 0,05 до 2 мм. Поверхностные элементы могут быть повторяющимися одинаковыми или неодинаковыми формами. Неодинаковые элементы изменяют ориентацию и/или форму, и/или размер вдоль длины микроканала. Например, образец может включать шеврон (или форму "галочки"), направленный по направлению потока, затем против направления потока, потом направленный в одну сторону микроканала, а затем в другую. Элементы могут располагаться случайным образом или небольшими группами по 2, 5, 10 или больше сходных элементов, за которыми следует новый элемент. Предпочтительно, чтобы сходные элементы были выровнены непрерывно, или такое выравнивание было обеспечено для многих элементов в ряду, по меньшей мере, на одной стенке основного канала, где, по меньшей мере, 10, 20 или больше сходных элементов последовательно расположены вдоль одной или нескольких стенок основного канала. Сходные элементы по существу поддерживают общее направление объемного потока, определенное как результирующий положительный вектор скорости в направлении х или у (поток между верхней и нижней частями поверхностного элемента и поток от одной стороны микроканала к другой), а не как результирующая скорость с координатой х или у, которая движется в отрицательном направлении относительно длины канала, как имело бы место в случае перемещения вперед и назад в основном канале потока. В результате, сходные элементы не имеют или имеют незначительные изменения в местоположении, где по ширине микроканала начинается второй угол канавки элемента активной поверхности, имеющего, по меньшей мере, два угла. Шевроны со сдвигом в мешалке с шахматным рисунком "елочка" не являются сходными. Изменения в охвате элементов или ширине могут быть различными у разных элементов, однако, предпочтительно, различие между элементами составляет менее 50%. В более предпочтительном варианте различие составляет менее 30%, а в еще более предпочтительном - менее 15%. Следует также отметить, что элемент с прерывистыми отрезками, по меньшей мере, с двумя или больше углами также считается элементом с более чем одним углом. В качестве примера рассмотрим простой шеврон, в котором два отрезка под разными углами соединены с вершиной в верхней части желобчатого элемента. Вершина желобчатого шеврона может быть заблокирована таким образом, что микроканал будет содержать два "чистых" элемента с одним углом по ширине, по меньшей мере, одной стенки микроканала. Рабочие характеристики этого разомкнутого элемента по существу аналогичны соединенному элементу, если расстояние между двумя разомкнутыми отрезками составляет меньше 20% от ширины микроканала. По существу, новые характеристики потока, описанные в этом изобретении, создаются, когда, по меньшей мере, одна стенка микроканала имеет, по меньшей мере, два угловых элемента вдоль ширины микроканала, независимого от того, связаны ли элементы физически или нет. Далее, процесс согласно изобретению имеет преимущества, когда по существу сходные соединенные или не соединенные элементы повторяются с небольшим или минимальным изменением с непрямым углом, по меньшей мере, для 15 элементов в ряду.
Предпочтительно, форматное отношение ширины элемента (расстояния от одной внутренней стенки до другой в углублении; для прямоугольного элемента это очевидно, для цилиндрического элемента - это диаметр, для элемента, который сужается как функция глубины, - это максимальное расстояние от одной стенки до другой; для переменного элемента - это среднее, максимальное расстояние от стенки до стенки) к канальному промежутку (обычно минимальное расстояние между поверхностными элементами или минимальное расстояние между поверхностным элементом и противоположной стенкой микроканала) составляет порядка 0,25-10, где ширина поверхностного элемента предпочтительно составляет от, по меньшей мере, 25% канального промежутка до 10-кратной величины канального промежутка. Более предпочтительно, форматное отношение равно от 0,5 до 1, чтобы создавать достаточные возмущения в режиме потока. Если элементы слишком узкие, объемный поток скользит по верху и испытывает минимальные возмущения. Если ширина поверхностного элемента слишком велика, объемный поток легко расширится, заполняя новый канальный промежуток и испытывая минимальные возмущения потока. Возмущения потока определяются как векторы скорости потока, которые не следуют традиционному ламинарному параболическому профилю и имеют перпендикулярные или поперечные векторы скорости. Может быть также предпочтительным, чтобы ширина элемента активной поверхности была меньше, чем основной канальный промежуток при использовании в каталитических реакторах, где желательно наполнять и опустошать элементы активной поверхности, а также сохранять на них каталитический раствор. Капиллярные силы, возникающие в жидкости в элементе активной поверхности, действуют таким образом, чтобы сохранить жидкость при сливании, так что она может высохнуть и кальцинироваться на месте. Если основной канальный промежуток меньше, чем ширина элемента активной поверхности, она может обеспечить "оттягивание" жидкости от элемента активной поверхности во время сливания. В некоторых примерах каталитических реакторов, таких как те, где катализатор наносится реактивными средствами, такими как нанесение покрытия методом химического восстановления, такое последующее опустошение элементов при сливе из канала не будет составлять проблемы.
Также неожиданно было обнаружено, что добавление элементов в поток с числом Рейнольдса более 2200 обеспечивает лучшие показатели по сравнению с плоским каналом, также функционирующем в турбулентном режиме. Конкретнее, ламинарный поток с поверхностными элементами (Re<2200) или турбулентный поток с поверхностными элементами (Re>2200) дает улучшенное качество смешивания и или теплопередачи по сравнению с плоским каналом с таким же числом Рейнольдса, но в турбулентном режиме. Поверхностные элементы добавляют результирующий радиальный или поперечный компонент скорости, более сильный, чем радиальный или поперечный компонент скорости, наблюдаемый в результате случайных вихрей в обычном канале турбулентного потока. Действительно, структуру поверхностных элементов можно сделать такой, чтобы получить конкретное относительное соотношение поперечной и перпендикулярной скорости, необходимое для конкретного применения. Для тех применений, в которых требуется хорошее поперечное смешивание, включая химические реакции, усиление перпендикулярных векторов скорости является особенно выгодным, поскольку они являются основными средствами перемещения новых реагентов к поверхности для протекания реакции.
Предпочтительно, форматное отношение глубины элемента (глубины внутреннего углубления, канавки или поверхностного элемента, как определено между дном канавки и канальным промежутком объемного потока или отверстием) к канальному промежутку (минимальное расстояние между стенками микроканала в месте рядом (например, в пределах 1 см) с поверхностным элементом) составляет 0,25-10, где глубина поверхностного элемента предпочтительно составляет от, по меньшей мере, 25% канального промежутка до 10-кратной величины канального промежутка. Более предпочтительно, форматное отношение равно от 0,5 до 3, чтобы создавать достаточные возмущения в режиме потока. Если элементы слишком неглубокие, объемный поток скользит по верху и испытывает минимальные возмущения. Если глубина поверхностного элемента слишком велика, объемный поток не будет легко конвекционно течь в глубокие элементы, и часть объемного потока, входящая в элементы активной поверхности, будет малой.
В некоторых вариантах осуществления с поверхностными элементами на нескольких стенках элементы на одной стенке расположены согласно тому же (или сходному) образцу, что и на второй стенке, но повернуты относительно оси среднего направления объемного потока в основном канале (или длины). В других вариантах осуществления с элементами на противоположных стенках элементы в одной стенке приблизительно представляют собой зеркальные отображения элементов на противоположной стенке. В других вариантах осуществления с поверхностными элементами на нескольких стенках элементы на одной стенке расположены согласно тому же (или сходному) образцу, что и на второй стенке, но повернуты относительно оси, ортогональной среднему направлению объемного потока основного канала (другими словами, элементы перевернуты на 180° относительно среднего направления объемного потока в основном канале и повернуты относительно оси среднего направления объемного потока в основном канале). Элементы на противоположных или соседних стенках могут быть или могут не быть выровнены друг с другом, но предпочтительно повторяются непрерывно вдоль стенки на определенной длине. В альтернативных вариантах осуществления поверхностные элементы могут находиться на трех или больше поверхностях микроканала. В случае геометрии микроканала с тремя или меньшим количеством сторон, такой как треугольная, овальная, эллиптическая, круглая и т.п., поверхностные элементы могут покрывать от, по меньшей мере, 20% до 100% периметра микроканала.
Каждый отрезок поверхностного элемента может располагаться под непрямым углом относительно направления объемного потока. Длина промежутка элемента, промежуток или отверстие определяются нормально к ориентации элемента. Например, один поверхностный элемент - диагональное углубление под углом 45° к плоскости, ортогональной к среднему направлению объемного потока в основном канале с отверстием, промежутком или длиной промежутка элемента 0,38 мм и длиной элемента 5,59 мм. Длина описывает расстояние от одного конца до другого конца элемента в самом длинном направлении, а промежуток или длина промежутка элемента - в самом коротком направлении (которое не является глубиной). Глубина элемента - это расстояние от основного канала. Для элементов с неоднородной шириной (промежутком) промежуток усредняется по длине.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления три или больше шаблонных листов (по меньшей мере 2 со сквозными образцами, такими как отверстия или щели) сложены штабелем один на другой. Два или больше образцов могут быть идентичными или три или больше шаблонных поверхностей могут быть отличными. Штабелированные образцы с изменяющимися геометриями могут создавать выгодный режим потока, посредством чего жидкость достигает пробкового режима потока на весьма коротком интервале. Расстояние для установления режима потока может быть меньше, чем 100 длин промежутка элемента, или более предпочтительно меньше, чем 50 длин промежутка элемента, и еще более предпочтительно меньше, чем 20 длин промежутка элемента. Поверхностный элемент может быть под непрямым углом относительно направления объемного потока. Длина промежутка элемента или промежуток определяются нормально к ориентации элемента. Длина описывает расстояние от одного конца до другого конца элемента в самом длинном направлении, а промежуток или длина промежутка элемента - в самом коротком направлении (которое не является глубиной). Глубина элемента - это расстояние по пути от основного канала. Для элементов с неоднородной шириной (промежутком) промежуток усредняется по длине.
Изобретение включает устройство, в котором, по меньшей мере, одна секция включает поверхностные элементы на более чем 20% (предпочтительно, по меньшей мере, 40%, более предпочтительно, по меньшей мере, 70%) поверхности канала (измеренный в перпендикуляре поперечного сечения к длине; т.е. перпендикулярно направлению результирующего потока через канал) в любом сегменте канала, и предпочтительно на непрерывном участке, по меньшей мере, 1 см, в некоторых вариантах осуществления поверхностные элементы занимают длину, по меньшей мере, 5 см. В случае закрытого канала % поверхности - это часть поперечного сечения, покрытая поверхностными элементами, по сравнению с закрытым каналом, который проходит однородно от основания или верхней части поверхностного элемента или с постоянным значением между ними. Последнее определено как плоский канал. Например, если канал имеет элементы на верхней и нижней поверхности, которые имеют ширину 0,9 см, и боковые стенки без элементов высотой 0,1 см, тогда 90% поверхности канала занято поверхностными элементами.
В некоторых вариантах осуществления устройство может содержать по существу плоские каналы в части распределения потока, где поток внутренне разветвляется на отдельные каналы. Устройство может содержать секцию теплопередачи, которая может иметь или может не иметь секции с поверхностными элементами, улучшающими теплопередачу. Устройство может также иметь секцию реакции, которая полностью или частично содержит поверхностные элементы. Поверхностные элементы лучше всего использовать в виде узла, в котором 5, 10, 20 или больше сходных элементов непрерывно расположены (за канавкой элемента активной поверхности следует гребень, после которого идет элемент активной поверхности и т.д.) для выполнения операции устройства или смешивания потока, включающего, по меньшей мере, две жидкости. Линейное расстояние или расстояние вдоль гребней между поверхностными элементами предпочтительно поддерживается в пределах от 0,01-кратной величины промежутка поверхностного элемента или ширины до 10-кратной величины промежутка поверхностного элемента или ширины. Предпочтительный диапазон расстояния между соседними поверхностными элементами - от 0,2- до 3-кратной величины отверстия, промежутка или ширины элемента активной поверхности. При увеличении расстояния поток, который в противном случае был бы ламинарным, ослабляется до обычного параболического течения и не осуществляет активного ввода жидкости в элементы активной поверхности.
Предпочтительно, канал закрыт со всех сторон, а в некоторых вариантах осуществления канал имеет в целом квадратное или прямоугольное поперечное сечение (в случае прямоугольного канала, образцы предпочтительно расположены на обеих основных сторонах). Для в целом квадратного или прямоугольного канала он может быть закрыт только с 2 или 3 сторон, и только 2 или 3 стороны со стенкой используются в описанном выше расчете % поверхностных элементов.
Образцы
Каждый из образцов поверхностных элементов может быть повторен вдоль одной стороны основного канала с переменным или регулярным расстоянием между элементами в направлении объемного потока основного канала. В некоторых вариантах осуществления имеется только один отрезок в каждом элементе, в то время как в других вариантах осуществления имеется несколько отрезков (2, 3 или больше).
Для основного канала с большой шириной множества элементов или колонки повторяющихся элементов могут располагаться рядом друг с другом по ширине основного канала. Для каждого образца поверхностных элементов глубина, ширина, промежуток и расстояние между элементами могут быть переменными или постоянными при повторении образца вдоль направления объемного потока в основном канале, хотя постоянные или регулярно повторяющиеся размеры являются предпочтительными. Кроме того, геометрии поверхностных элементов с вершиной, соединяющей два отрезка под различными углами, могут иметь альтернативные варианты осуществления, в которых отрезки элементов не соединяются в вершине.
На Фиг.2е изображены различные образцы, которые могут использоваться для поверхностных элементов. Эти образцы не предназначены для того, чтобы ограничивать изобретение, а лишь для того, чтобы проиллюстрировать некоторые возможные варианты. Как и в случае любых других поверхностных элементов, образцы могут использоваться в различных осевых или поперечных секциях микроканала.
В некоторых вариантах осуществления (включая нанесение слоя каталитической композиции на микроканал) желательно удерживать жидкость в поверхностных элементах в гравитационном поле (т.е. в таких применениях, как нанесение однородных покрытий на стенки микроканалов). Для таких вариантов осуществления вертикальный компонент (относительно силы тяжести) длины каждого отрезка поверхностного элемента должен быть предпочтительно меньше 4 мм и более предпочтительно - меньше 2 мм, чтобы предотвратить вытекание жидкости из элемента Для этих вариантов осуществления также предпочтительно, чтобы ширина элемента активной поверхности, промежуток или отверстие были меньше открытого канального промежутка в микроканале (где происходит вытекание и основной поток жидкости в процессе работы устройства). Если ширина больше канального промежутка, элементы, возможно, не смогут удержать жидкость во время слива.
Геометрия поверхностного элемента SFG-0 (см. Фиг.3а) описана множеством шевронов или v-образных углублений, которые расположены вдоль длины микроканала устройства, в котором выполняется его операция. Шевроны могут регулярно или нерегулярно располагаться с равным или переменным интервалом между последовательными элементами. Регулярный (или равный) интервал между элементами может быть предпочтительным, поскольку возмущения объемного потока в основном канале, вызванные присутствием каждого элемента, лучше усиливают возмущения, вызываемые другими элементами. В случае одностороннего элемента элементы располагаются только на одной стороне микроканала. В случае двустороннего элемента элементы располагаются на двух сторонах микроканала (на противоположных или соседних стенках). В некоторых вариантах осуществления с двусторонней ориентацией ориентация элементов может быть цис- или трансориентацией. При цис-ориентации элементов на противоположных стенках, изображенной на Фиг.3а, элементы представляют собой зеркальное отражение на двух стенках канала. "Транс-конфигурация" означает расположение микроканала с двумя или большим числом стенок, при котором элементы на противоположных стенках не выровнены, а вначале получено зеркальное отражение стенки, а затем оно повернуто на 180° (так что вид сверху образца оказывается перевернутым относительно первой стенки) для создания смещенных элементов. Отмечено, что вторая и противоположная стенка, возможно, не является точно повернутым зеркальным отображением, поскольку могут быть добавлены заполняющие элементы, чтобы создать большую площадь микроканала с поверхностными элементами, и поскольку элементы на противоположных стенках могут быть несколько смещенными друг относительно друга в направлении объемного потока. Ориентация потока относительно элементов на данной стенке может быть цис А (направление потока от нижней к верхней части на Фиг.3а) или цис В (например, направление потока сверху вниз на Фиг.3а). Как правило, элементы находятся на противоположных стенках, но они могут располагаться на соседних стенках.
Цис А соответствует расположению микроканала с двумя или больше стенками, при котором элементы вверху и внизу расположены в одном направлении относительно потока, а отрезки поверхностных элементов сходятся вдоль направления потока.
Цис В соответствует расположению микроканала с двумя или больше стенками, при котором элементы вверху и внизу расположены в одном направлении относительно потока, а отрезки поверхностных элементов расходятся вдоль направления потока.
Фанелли - это разрыв или небольшое разъединение отрезков поверхностных элементов, которые иначе являются соединенными. Разъединения составляет меньше 20% ширины микроканала, и предпочтительно меньше чем 10% ширины микроканала. Фиг.3h иллюстрирует Фанелли для образца SFG-0, в котором вершина удалена, чтобы устранить тупики или отрезки с меньшей скоростью в пути потока в основном канале, вызванные изменением угла. Место разъединения Фанелли между двумя поверхностными элементами может быть также смещено вдоль направления длины канала, где половина v начинается и останавливается в двух осевых местоположениях вдоль длины канала, а другая половина v начинается и останавливается в смещенном положении немного выше или немного ниже точки начала и прекращения первой половины v.
Геометрия поверхностного элемента SFG-1 показана на Фиг.3b и содержит элементы, чередующиеся по ориентации или углу вдоль каждой стенки микроканала. В этой геометрии пять или больше асимметричных шевронов (где один отрезок элемента длиннее, чем другой) размещены так, что вершина располагается на одной трети ширины микроканала, а за элементами следуют два заполняющих элемента (следует отметить, что могут использоваться больше или меньше заполняющих элементов), а затем идут 5 или больше асимметричных элементов, где вершина шеврона располагается примерно на двух третях ширины микроканала. Этот образец повторяется несколько раз. Как показано, образец на противоположной стенке микроканала находится в транс-ориентации, где элементы не являются зеркальными отображениями.
SFG-2 - это структура, где каждый угол непрерывно изменяется вдоль длины элемента, как показано на Фиг.3с (вид сверху вниз), где поток в основном канале, смежном с элементами, идет слева направо или справа налево. Элемент может быть полезным для уменьшения нарушения режима потока в переднем крае каждого элемента, так как форма является более аэродинамической. По существу непрерывно изменяющийся угол может также изменяться от положительного до отрицательного значения вдоль длины элемента.
Вид сверху образца элементов поверхности SFG-3 показан на Фиг.3d, включая вид верхней и нижней стороны, и вид сверху их перекрывания. Этот образец может быть повторен необходимое число раз для заполнения требуемой длины. Основная характеристика SFG-3 - это повторение формы "галочки" SFG-5.
Образец элемента SFG-4 является простой диагональной щелью только с одним отрезком в каждом поверхностном элементе (как показано с правой стороны Фиг.3е). Образец SFG4 по существу аналогичен многим одноугольным диагональным элементам, описанным в уровне техники, и не является эффективным для смешивания и операций устройства, особенно в случае расположения элементов на одной стенке или на двух стенках в трансориентации. У потока в этом образце наблюдается уменьшающаяся часть времени пребывания в пределах элементов при увеличении числа Рейнольдса.
Геометрия поверхностного элемента 5 представлена рядом "галочек", где вершина "галочки" такова, что длина одного отрезка элемента составляет примерно половину длины другого отрезка. Группы из 4 или более таких элементов в форме "галочки" могут быть организованы во многих различных комбинациях, включая три, изображенные на Фиг.3f. У этих групп галочек могут быть различные ориентации относительно друг друга, или все они могут иметь одинаковую ориентацию, формируя непрерывный набор галочек вдоль поверхности. Каждая комбинация или разновидность образца SFG-5 дадут различные характеристики смешивания. На Фиг.3f показаны три различных расположения для образцов геометрии элементов поверхности SFG-5.
Поверхностные элементы предпочтительно имеют, по меньшей мере, одно изменение в угле ориентации. Геометрия поверхностных элементов 6 (SFG6) содержит три отрезка поверхностных элементов и имеет два изменения в угле ориентации от положительного до отрицательного относительно направления потока, как показано на Фиг.3g. Это передает аспекты направления потока типа "А" и "В" потоку в основном канале, поскольку два отрезка элементов являются сходящимися друг к другу вдоль направления объемного потока, и два отрезка элементов являются расходящимися друг от друга вдоль направления объемного потока.
"Дом" означает входной отрезок поверхностного элемента, где один или несколько отрезков идут параллельно направлению объемного потока основного канала прежде, чем повернуть под непрямым углом к направлению потока (см. Фиг.3i). Угол может быть необязательно более закругленным, чем изображенный на рисунке ниже. Дом может также располагаться предпочтительно под углом, отличным от 90°, чтобы улучшать адвекцию потока в элементы активной поверхности.
Образец "зуб акулы" представляет поверхностный элемент с одним отрезком и изменяющимся промежутком от одного конца до другого (см., например. Фиг.3j). Отрезок может быть под любым углом относительно направления объемного потока основного канала, и множество зубьев под различными углами могут заполнять стенку микроканала.
На Фиг.3е показаны поверхностные элементы с углом 60° в случае SFG-0, 75° - SFG-0 и 45° - для образца SFG-4, где угол определяется относительно горизонтальной плоскости, которая делит пополам поперечное сечение микроканала, ортогональное к основному направлению потока.
Другие варианты осуществления геометрий поверхностных элементов с множеством отрезков имеют различные углы и/или длины для каждого отрезка, для некоторых из отрезков или для групп из 5 или больше идентичных поверхностных элементов, как показано на Фиг.3k. Повторение групп поверхностных элементов также обеспечивает потенциальные преимущества при изготовлении. Например, при штамповке элементов из тонких листов штамповочный инструмент может изготавливать несколько элементов за раз.
Слоистые поверхностные элементы: слоистые поверхностные элементы формируются в одной или нескольких стенках основного канала. Стенка со слоистыми поверхностными элементами изготовляется путем укладки соседних слоев с разными геометриями поверхностных элементов (см. Фиг.4а) и выравнивания колонок элементов таким образом, чтобы эти два уложенных в штабель компонента образовывали более сложный трехмерный элемент. В случае слоистых элементов поверхностные элементы во всех слоях, кроме слоя, наиболее удаленного от основного канала, должны иметь сквозные элементы. Альтернативно, идентичные поверхностные элементы, выполненные как сквозные элементы в тонком листе, могут быть сделаны более глубокими путем штабелирования листов с идентичными поверхностными элементами непосредственно один на другой и выравнивания элементов в каждом листе.
Микроканальные устройства

Микроканальные реакторы характеризуются наличием, по меньшей мере, одного канала реакции, имеющего, по меньшей мере, один размер (от стенки до стенки, не считая катализатора), равный 1 см или меньше, предпочтительно, 2 мм или меньше (в некоторых вариантах осуществления приблизительно 1,0 мм или меньше) и больше чем 100 нм (предпочтительно больше чем 1 мкм), и в некоторых вариантах осуществления 50-500 мкм. Каталитической канал реакции - эта канал, содержащий катализатор, где катализатор может быть гетерогенным или гомогенным. Гомогенный катализатор может быть совместно текущим с реагентами. Микроканальное устройство аналогично характеризуется, за исключением того, что содержащий катализатор канал реакции не требуется. Промежуток (или высота) микроканала предпочтительно составляет приблизительно 2 мм или меньше, и более предпочтительно 1 мм или меньше. Длина канала реакции обычно длиннее. Предпочтительно, длина превышает 1 см, в некоторых вариантах осуществления превышает 50 см, в некоторых вариантах осуществления превышает 20 см, а в некоторых вариантах осуществления находится в диапазоне от 1 до 100 см. Стороны микроканала определены стенками канала реакции. Эти стенки предпочтительно выполнены из твердого материала, такого как керамика, основанного на железе сплава, такого как сталь, или суперсплава на основе Ni, Co или Fe, такого как монель. Они также могут быть выполнены из пластмассы, стекла или другого металла, такого как медь, алюминий и т.п. Выбор материала для стенок канала реакции может зависеть от реакции, для которой предназначен реактор. В некоторых вариантах осуществления стенки реакционного пространства выполнены из нержавеющей стали или Inconel, который является прочным и имеет хорошую теплопроводность. Сплавы должны иметь низкое содержание серы, а в некоторых вариантах осуществления подвергаются десульфуризации перед образованием алюминида. Как правило, стенки канала реакции выполнены из материала, который обеспечивает первичную структурную поддержку микроканального устройства. Микроканальное устройство может быть выполнено известными способами, и в некоторых предпочтительных вариантах осуществления изготавливается путем наслоения чередующихся пластин (также называемых "прокладками"), и предпочтительно, где прокладки, разработанные для каналов реакции, чередуются с прокладками, разработанными для теплообмена. Некоторые микроканальные устройства включают, по меньшей мере, 10 слоев в устройстве, где каждый из этих слоев содержит, по меньшей мере, 10 каналов; устройство может содержать другие слои с меньшим количеством каналов.
-8
-2
2
-7
-4
2
Микроканальные устройства (такие как микроканальные реакторы) предпочтительно включают микроканалы (такие как множество микроканальных реакционных каналов) и множество смежных микроканалов теплообмена. Множество микроканалов может содержать, например, 2, 10, 100, 1000 или больше каналов, способных параллельно функционировать. В предпочтительных вариантах осуществления микроканалы расположены в виде параллельных множеств плоских микроканалов, например, по меньшей мере, 3 множеств плоских микроканалов. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления множество входов микроканалов соединены с общим верхним коллектором, и/или множество выходов микроканалов соединены с общим нижним коллектором. Во время работы микроканалы теплообмена (если имеются) содержат протекающие нагревающие и/или охлаждающие жидкости. Неограничивающие примеры этого типа известного реактора, который может использоваться в настоящем изобретении, включают реакторы из микрокомпонентной листовой архитектуры (например, слоистого материала с микроканалами), примеры которых приведены в Патентах США №6200536 и 6219973 (оба из которых включены путем ссылки). Преимущества работы при использовании этого типа архитектуры реактора для целей настоящего изобретения включают их относительно высокую скорость тепло- и массопередачи, и реальное отсутствие каких-либо связанных со взрывом ограничений. Падения давления могут быть низкими, обеспечивая высокую пропускную способность, и катализатор может быть размещен в очень доступной форме в пределах каналов, избавляя от необходимости разделения. В некоторых вариантах осуществления микроканал реакции (или микроканалы) содержит путь объемного потока. Термин "путь объемного потока" означает открытый путь (непрерывную область объемного потока) в пределах реакционного пространства. Непрерывная область объемного потока обеспечивает быстрое протекание жидкости через реакционное пространство без значительного падения давления. Области объемного потока в пределах каждого канала реакции предпочтительно имеют площадь поперечного сечения от 5×10 до 1×10 м, более предпочтительно от 5×10 до 1×10 м. Области объемного потока предпочтительно включают, по меньшей мере, 5%, более предпочтительно, по меньшей мере, 50% и в некоторых вариантах осуществления, 30-99% 1) внутреннего объема микроканала или 2) поперечного сечения микроканала.
Во многих предпочтительных вариантах осуществления микроканальное устройство содержит множество микроканалов, предпочтительно группы, по меньшей мере, из 5, более предпочтительно, по меньшей мере, из 10, параллельных каналов, которые соединены в общем трубопроводе, который является неотъемлемой частью устройства (не впоследствии присоединенная трубка), где общий трубопровод включает элемент или элементы, которые имеют тенденцию выравнивать поток через каналы, связанные с трубопроводом. Примеры таких трубопроводов описаны в патентной заявке США №10/695,400, поданной 27 октября 2003 г., которая включена сюда путем ссылки. В данном контексте "параллельные" не обязательно означает прямые, а скорее соответствующие друг другу каналы. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления микроканальное устройство включает, по меньшей мере, три группы параллельных микроканалов, причем канал в каждой группе соединен с общим трубопроводом (например, 4 группы микроканалов и 4 трубопровода) и предпочтительно, где каждый общий трубопровод включает элемент или элементы, которые имеют тенденцию выравнивать поток через каналы, связанные с трубопроводом.
Среды теплообмена могут протекать через микроканалы теплопередачи, расположенные рядом с каналами обработки (такими как микроканалы реакции), и могут быть газами или жидкостями и могут включать пар, масло или любые другие известные теплообменные среды - система может быть оптимизирована для наличия фазового перехода в теплообменнике. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления множество слоев теплообмена чередуются с множеством реакционных микроканалов. Например, по меньшей мере, 10 теплообменников чередуются, по меньшей мере, с 10 реакционными микроканалами и предпочтительно, 10 слоев рядов микроканалов теплообмена соприкасаются, по меньшей мере, с 10 слоями микроканалов реакции. Каждый из этих слоев может содержать простые, прямые каналы, или каналы в слое могут иметь более сложную геометрию. В предпочтительных вариантах осуществления одна или несколько внутренних стенок канала теплообмена (или каналов) имеет поверхностные элементы.
В некоторых вариантах осуществления устройство (или способ) согласно изобретению включает материал катализатора. Катализатор может определять, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, одной стенки пути объемного потока. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления поверхность катализатора определяет, по меньшей мере, одну стенку пути объемного потока, по которому проходит поток жидкости. В случае процесса с гетерогенным катализатором композиция реагента может протекать через микроканал, мимо катализатора и в контакте с ним.
В некоторых предпочтительных конфигурациях катализатор включает нижнюю опору с большими порами. Примеры предпочтительных опор с большими порами включают коммерчески доступные металлические пены и металлические войлоки. Крупнопористая опора имеет пористость, по меньшей мере, 5%, более предпочтительно 30-99% и еще более предпочтительно 70-98%. Предпочтительно, опора имеет средний объемный размер пор, измеренный по BET, 0,1 мкм или больше, более предпочтительно от 1 до 500 мкм. Предпочтительные формы пористых опор - пена и войлоки, и они предпочтительно выполнены из термостойкого и проводящего материала, предпочтительно металла, такого как сплав FeCrAlY или нержавеющая сталь. Эти пористые опоры могут быть тонкими, такими как от 0,1 до 1 мм. Пена представляет собой непрерывные структуры с непрерывными стенками, определяющими поры по всей структуре. Войлоки - это нетканые волокна с пространствами между волокнами. Они включают запутанные волокна, например, стальную проволоку. Пористые опоры могут быть уложены штабелем между стенкой теплопередачи и листом со сквозными поверхностными элементами. Альтернативно, пористые опоры могут быть вытравлены, вырезаны или иным образом выполненные элементы активной поверхности на листах. Листы могут быть сложены штабелем с не имеющими пор листами, которые служат стенками для образования сборки. В этом варианте осуществления пористость самого элемента активной поверхности увеличивает число участков для химической реакции, где реагенты могут диффундировать из канавки, образованной в пористом листе во внутренние и меньшие поры, имеющиеся в пористом листе. Активный слой или слои катализатора могут быть расположены на пористом листе. Через сквозные поверхностные элементы молекулы поступают посредством адвекции и диффузии в углубленные канавки, где они могут продолжить диффундировать в пористых опорах, в которых или на которых расположен катализатор. Поскольку молекулы проводят непропорционально больше времени в элементах с увеличением числа Рейнольдса, появляется больше времени для реагентов, чтобы столкнуться и прореагировать с поверхностями катализатора. Поскольку реагенты проводят время в канавках поверхностных элементов и слоя пористого катализатора, они не перемещаются конвенционно вниз по потоку с объемным потоком и, таким образом, находятся вдали от активного катализатора.
Катализатор с большими порами (включая каталитически активные центры на основе оксида алюминия) предпочтительно имеет объем пор 5-98%, более предпочтительно 30-95% общего объема пористого материала. Предпочтительно, по меньшей мере, 20% (более предпочтительно, по меньшей мере, 50%) объема пор материала составлено порами с размером (диаметром) в диапазоне 0,1-300 микрон, более предпочтительно 0,3-200 микрон и еще более предпочтительно 1-100 микрон. Объем пор и распределение размеров пор измеряются с помощью ртутной порометрии (предполагая цилиндрическую геометрию пор) и азотной адсорбции. Как известно, ртутная порометрия и азотная адсорбция - дополняющие способы, причем ртутная порометрия является более точной для измерения больших размеров пор (свыше 30 нм), а азотная адсорбция более точная для малых пор (менее 50 нм). Катализатор, такой как каталитический металл, расположенный на оксидном слое, может располагаться на опоре с большими порами.
В некоторых вариантах осуществления высота и ширина микроканала определяют площадь поперечного сечения, и эта площадь поперечного сечения включает пористый материал катализатора и открытую область, где пористый материал катализатора занимает от 5% до 99% площади поперечного сечения и где открытая область занимает от 5% до 99% площади поперечного сечения. В другом альтернативном варианте катализатор может быть предоставлен как покрытие (такое как тонкое покрытие) материала в пределах микроканального канала или каналов реакции. Использование конфигурации катализатора с проходящим мимо потоком может создать выгодную зависимость производительности/падения давления. В конфигурации катализатора с проходящим мимо потоком жидкость предпочтительно течет в промежутке рядом с пористой вставкой или мимо каталитического покрытия стенки, который контактирует со стенкой микроканала (предпочтительно стенка микроканала, которая контактирует с катализатором, находится в прямом термоконтакте с теплообменником (предпочтительно микроканальным теплообменником), и в некоторых вариантах осуществления теплообменный поток контактирует с противоположной стороной стенки, которая контактирует с катализатором).
В некоторых вариантах осуществления микроканал содержит пористый катализатор с проходящим мимо потоком, который имеет толщину (>25 микрон), большую, чем стенка покрытия (<25 микрон). В некоторых вариантах осуществления толщина пористого катализатора с проходящим мимо потоком может превышать 25 микрон, также как и толщина каталитического покрытия. Во всех случаях предпочтительно, чтобы толщина покрытия была меньше толщины каталитической структуры с проходящим мимо потоком. Пористый катализатор может иметь поверхностные элементы (предпочтительно углубленные элементы), которые возмущают объемный поток в открытом канале, чтобы уменьшить внешнее сопротивление массопередаче и содействовать адвекции в поверхностных элементах, которая помогает приносить новый реагент к пористой структуре катализатора и удалять продукт. Углубленные поверхностные элементы могут быть углублены полностью через или в части пути в толщине толстой пористой структуры катализатора. Пористый катализатор может иметь любую длину; например, непрерывный пористый катализатор (с поверхностными элементами) или прерывистый пористый катализатор (разделенный поверхностными элементами) могут иметь длину, по меньшей мере, 1 см, 3 см или больше.
Поверхностные элементы могут быть сформированы в крупнопористом катализаторе, таком как каталитическая пена или каталитический войлок. Структурированная поверхность может быть сформирована путем вставки в микроканал каталитической вставки, которая имеет поверхностные элементы. Вставка может было сформирована из крупнопористого катализатора (такого как пена или войлок) или путем вставки металлической опоры с поверхностными элементами с последующим покрытием поверхности опоры катализатором.
Покрытия - это покрытия, наносимые на стенку канала, путем действия на нее композиции покрытия на основе жидкости. Композиция покрытия может содержать суспензию частиц (обычно оксид металла или смесь оксида металла и металлических частиц) или золь. Каталитическое покрытие, образованное путем нанесения покрытия, может называться покрытием.
Микроканальное устройство может также содержать множество секций элементов активной поверхности вдоль длины реактора. Первая секция может использоваться для улучшения теплопередачи, в то время как вторая секция может использоваться для химической реакции. Альтернативно, может быть две или больше секций в единичной операции, где происходят различные реакции массового обмена, такие как разделение. Может быть выгодным, чтобы две или больше химических реакций протекали последовательно в различных секциях поверхностных элементов. В одном варианте осуществления две различные реакции могут быть предпочтительными в случае серии реакций или для добавления нового реагента для того, чтобы продолжить реакцию, или только для продолжения реакции с новой жидкостью теплопередачи или продолжить реакцию, управляя или корректируя температуру стенки между или в секции поверхностных элементов, или иным образом управлять механической деформацией металла. Другой мотивацией для того, чтобы иметь две или больше секций элементов активной поверхности в виде последовательности в микроканальном устройстве, может быть использование канала, который содержит изгиб или U-поток, где поток проходит по существу в одном направлении прежде, чем изогнуться и перейти во второй канал. Секция элементов активной поверхности может быть выполнена в прямом и обратном пути, что особенно полезно в применениях каталитического сжигания, где желательными являются малые выбросы.
Капиллярные элементы в стенках микроканала
Поверхностные элементы могут также действовать как капиллярные элементы, которые могут использоваться для обеспечения селективного удержания жидкости на стенке микроканала или рядом с ней. Элементы могут иметь любую форму (прямоугольную, круглую, трапециевидную, другую), но так, чтобы они обеспечивали, по меньшей мере, один критический размер, меньший чем определенный параметр, основанный на свойствах жидкости, таким образом, что капиллярные силы более сильны, чем гравитационные силы, чтобы предотвратить вытекание или проскальзывание вдоль стенок микроканала.
Капиллярные элементы могут быть помещены вдоль длины микроканала в желательном месте, чтобы создать однородное или адаптированное к применению распределение внутри канала композиции покрытия. Чтобы поддержать хорошую однородность от канала к каналу, тот же самый профиль капиллярных элементов располагается вдоль каждого параллельного микроканала во множестве микроканалов. Элементы предпочтительно выровнены частично или полностью нормально к направлению силы тяжести для минимизации вытекания по направлению силы тяжести. Элементы могут быть выровнены под углом относительно направления силы тяжести во время слива. Элементы могут быть ориентированы параллельно направлению силы тяжести, если они короткие и прерывистые. На стенке микроканала имеется предпочтительно три, пять, десять или больше элементов в группе.
В одном варианте осуществления адаптированный к применению профиль может иметь больше капиллярных элементов и, таким образом, больше каталитического раствора рядом с передней секцией реактора, где потребность в катализаторе выше. В другом варианте осуществления для случая экзотермической реакции, такой как селективное окисление, количество катализатора, помещенного или удерживаемого около передней части реактора, может быть уменьшено, чтобы, в свою очередь, уменьшить количество выделяемого тепла и, таким образом, нежелательное повышение температуры. В третьем варианте осуществления местоположение и размер капиллярных элементов могут быть адаптированы на краевых каналах микроканального устройства, таким образом, что выделение тепла уменьшается около края устройства. Например, в слое микроканального устройства может быть более высокая концентрация капиллярных элементов около центра слоя, чем около края так, чтобы больше покрытия было нанесено около центра устройства. Таким образом, на слое, включающем множество микроканалов, по меньшей мере, с одним центральным микроканалом и двумя крайними микроканалами, в некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, один центральный канал может иметь более высокую концентрацию капиллярных элементов, чем концентрация в любом из двух краевых каналов; это может быть полностью изменено, если большая концентрация катализатора желательна вдоль края. Это может обеспечить лучшую механическую структуру, в которой локальная краевая температура снижается около области высокой тепловой деформации. Капиллярные элементы могут использоваться, чтобы управлять или адаптировать процесс, измеряемый в виде преобразования или селективности для определенной производительности или скорости потока на единицу объема. Элементы могут также использоваться, чтобы минимизировать механические деформации в областях высоких нагрузок в устройстве путем снижения локального выделения тепла и, таким образом, снижения результирующего температурного градиента.
Для сохранения жидкости (предшественника катализатора или иного вещества). Жидкость заполняет микроканал или множество параллельных микроканалов, а затем сливается, причем в капиллярных элементах на стенке остается жидкость. Затем жидкость может быть высушена, оставляя позади активный агент на стенках. Жидкость может быть на основе воды или содержать раствор, взвесь или суспензию твердых частиц или жидких капель, включая наночастицы, или может быть полимерным раствором или любой жидкой композицией покрытия.
Способы создания поверхностных элементов
Поверхностные элементы могут быть выполнены, например, лазерной гравировкой; обработкой электрическими разрядами (EDM), при которой используется провод малого диаметра, чтобы сделать требуемый элемент, выжигая проводящий материал основы; или путем штабелирования листа со сквозными отверстиями на другой лист, а затем соединения листов вместе. Поверхностные элементы могут быть частично выгравированы на листе или сформированы в листе как сквозные элементы, после чего лист помещают рядом с твердой стенкой. Альтернативно, поверхностные элементы могут быть созданы путем штабелирования двух или более листов со сквозными элементами рядом с твердым или гравированным листом. Образец, и/или размер, и/или форма элементов могут быть различными на двух или больше сложенных в штабель листах со сквозными элементами. Поверхностные элементы могут также быть выполнены с помощью трехмерных процессов формирования образцов, таких как процессы SLS, в которых металлический порошок выборочно спекают, чтобы создать сложные 3-мерные структуры.
Поверхностные элементы могут было сформированы как сквозные щели или отверстия в тонкой металлической прокладке рядом со стенкой перед диффузионным соединением. Получающаяся структура будет похожа на углубленные элементы в стенке микроканала.
Поверхностные элементы могут использоваться, чтобы адаптировать к применению смешивание и/или нанесение катализатора или любого другого раствора покрытия вдоль длины стенки микроканала. Большая концентрация поверхностных элементов может быть помещена около входа микроканала (такого как вход у верхнего коллектора) или, альтернативно, относительно большее количество может быть помещено около выхода микроканала. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления, реакционный микроканал имеет один вход и один выход, имеет большую плотность капиллярных элементов около входа, чем около выхода; или, наоборот, имеет большую плотность капиллярных элементов около выхода, чем около входа.
Каталитическое покрытие
Микроканалы, содержащие поверхностные элементы, могут быть покрыты катализатором или другим материалом, таким как сорбент. Катализаторы могут быть нанесены на внутреннюю часть микроканала, используя способы, известные из уровня техники, такие как жидкостные покрытия. Могут использоваться другие способы, такие как CVD или нанесение покрытия методом химического восстановления. В некоторых вариантах осуществления предпочтительной является пропитка водными солями. В некоторых вариантах осуществления предпочтительными являются Pt, Rh и/или Pd. Обычно это сопровождается термической обработкой и активацией, как известно из уровня техники. Соли, которые формируют растворы рН>0, являются предпочтительными. Другие покрытия могут включать золь или растворы на основе взвесей, которые содержат предшественник катализатора и/или опору. Покрытия могут также включать реактивные способы нанесения на стенку, такие как нанесение покрытия методом химического восстановления или другие поверхностные жидкостные реакции.
Покрытия могут также наноситься на стенки микроканалов путем заполнения каналов до желательной высоты жидкой композицией покрытия и удаления летучих компонентов (обычно растворителя) при пониженном давлении. Для избежания эффекта барботации, возможно, придется принять некоторые дополнительные меры.
Материалы, такие как металлы, могут наноситься на стенку микроканала (плоскую или с образцом) путем печати, предпочтительно, способами, аналогичными струйной печати. Нанесенный печатью металлический образец может также использоваться как затравка (катализатор) для формирования нанесенного гальваническим методом металла (предпочтительно, шаблонного гальванического покрытия). Дополнительно или альтернативно, селективное гравирование и/или способы селективного осаждения, разработанные в электронной промышленности, могут использоваться, чтобы выполнить субобразцы в поверхностных элементах 52. См. Фиг.5. Эти субобразцы особенно полезны для увеличения площади поверхности для нанесения катализатора и/или прямого избирательного осаждения катализатора для улучшенного управления реакцией. Например, множественные субуглубления 54 можно сформировать на дне поверхностного элемента и/или вершине поверхностного элемента, и катализатор 56 может быть нанесен (например, в виде покрытия) на множество субуглублений. Необязательно, области 55 термопроводящего материала могут быть нанесены на поверхностные элементы и/или субуглубления для дальнейшего увеличения площади поверхности.
Реакции
В некоторых аспектах изобретение предлагает способ проведения реакции, включающий: протекание, по меньшей мере, одного реагента в микроканале и реакцию, по меньшей мере, одного реагента в присутствии катализатора в микроканале с образованием, по меньшей мере, одного продукта. В некоторых вариантах осуществления реакция состоит по существу в реакции, выбранной из: ацетилирования, реакции присоединения, алкилирования, деалкилирования, гидродеалкилирования, восстановительного алкилирования, аминирования, аммоксидирования, синтеза аммиака, ароматизации, арилирования, автотеплового преобразования, карбонилирования, декарбонилирования, восстановительного карбонилирования, карбоксилирования, восстановительного карбоксилирования, восстановительного соединения, конденсации, крекинга, гидрокрекинга, циклизации, циклоолигомеризации, дегалогенирования, димеризации, эпоксидирования, эстерификации, обмена, реакции Фишера-Тропша, галоидирования, гидрогалоидирования, гомологации, гидратации, дегидратации, гидрирования, дегидрогенизации, гидрокарбоксилирования, гидроформилирования, гидрогенолиза, гидрометаллизации, гидросилации, гидролиза, гидрообработки (HDS/HDN), изомеризации, метилирования, деметилирования, реакции обмена, нитрования, полимеризации, восстановления, преобразования, обратного водно-газового сдвига, реакции Сабатье, сульфирования, теломеризации, трансэтерификации, тримеризации и водно-газового сдвига. Сгорание является другой предпочтительной реакцией. Каталитическое разложение углеводородов паром является особенно предпочтительным (такое как преобразование метана, этана или пропана с применением пара, а также другие).
ПРИМЕРЫ
Реакции преобразования метана с применением пара в микрореакторах с поверхностными элементами на стенках
Эффект поверхностных элементов на работу реактора исследовали на примере реакции преобразования метана с применением пара. Цель элементов состояла в том, чтобы увеличить преобразование на длине, особенно при низкой активности катализатора. Поверхностные элементы увеличивают площадь доступной поверхности катализатора, они позволяют равномерно наносить полученный из раствора катализатор, и они уменьшают внешние ограничения массового переноса в объемном микроканале и, таким образом, позволяют реактору функционировать ближе к присущему катализатору потенциалу активности.
В этом примере поверхностные элементы имеют прямоугольную форму поперечного сечения; находятся или на одной или на обеих сторонах микроканала; глубина поверхностных элементов имеет тот же самый порядок, что и промежуток основного канала; и поверхностные элементы помещены под указанным углом относительно основного направления потока.
Часть размеров, определяющих задачи, сохранена одинаковой для всех примеров
- Канальный промежуток: 0,0125"
- Ширина канала: 0,18"
- Глубина канавок: 0,010" (0,005" и 0,015" также оценивались), размещены с обеих сторон микроканала
- Ширина или промежуток канавок: 0,015"
- Расстояние между смежными канавками (расстояние от края до края): 0,015"
- 5 канавок, помещенных последовательно (длина приблизительно 0,15").
Скорость потока в канале для всех вычислений составляла 0,238 кг/час смеси 3:1 пара к метану при 25 атм.
Реакция парового преобразования метана (SMR) в микроканальном реакторе является центром внимания этого примера.
2
Кроме того, реакцию водно-газового сдвига (WGS), которая является умеренно экзотермической, также рассматривали ввиду важности образования СO на катализаторе SMR.
Следующая кинетика предполагалась для всех результатов моделирования CFD, о которых сообщают в данном примере (где индекс "1" относится к реакции SMR, a "2" - к реакции WGS). Следующие выражения, описывающие кинетику реакции, используются во всем этом примере:
2
i
Скорости реакции выражаются в кмоль/м-кат·с, а давления Р в приведенных выше выражениях выражены в барах. Константы скорости реакции соответствуют форме Аррениуса следующим образом:
1
2
1
2
Энергия активации для реакции SMR предполагалось равной E=1,7Е8 Дж/кмоль; а для реакции WGS E=6,713E+7 Дж/кмоль. Предпоказательные факторы предполагались равными A=2,126Е+04 и А=1,222.
В этих формулах скорости реакции обратные реакции приняты во внимание посредством соответствующих констант химического равновесия
Параметры в кинетике - результаты оптимальной подгонки предсказания в модели, используя экспериментальные данные для катализатора SMR, основанного на 5 мас.% Rh, диспергированного в стабилизированном MgO оксиде алюминия. Следует подчеркнуть, что этот набор кинетики не обязательно типичен для всех катализаторов SMR, но он иллюстрирует сравнительное влияние геометрии реактора и структуры на характеристики работы.
Этот набор кинетики называется базовой кинетикой. Влияние уменьшенной активности по сравнению с базовым уровнем также оценивалось. Граничные условия
Следующие условия применялись к границам.
- Вход: общая скорость массового потока F=6,48Е-5 кг/с; молярное отношение пара к метану 3 к 1; температура такая же как у стенки.
- Выход: давление. 345 фунт/кв.дюйм (2,38 МПа) применяется во всех случаях, если не указано иное.
- Стенка: отсутствие скорости проскальзывания; постоянная температура.
Применение скорости массового потока на входе реакторной секции легко осуществить, но это может вызвать некоторые проблемы, если вход расположен прямо на начальном крае структуры катализатора ввиду известного эффекта длины на входе, где полный поток превращается в профиль ламинарного потока. Чтобы избежать этого эффекта в вычислениях, вход микроканала помещен на некотором расстоянии (по длине) вверх по потоку от структуры катализатора. Реакция не моделировалась в этой входной секции. Фактическая длина этого входа - вопрос числового эксперимента, чтобы удостовериться, что ламинарный поток действительно полностью образуется при достижении структуры катализатора. В целом, длина на входе, в двадцать раз превышающая промежуток потока, достаточна для полного формирования ламинарного потока.
Скорость преобразования метана используется для сравнения характеристик реакторов различных конфигураций. Кроме того, с целью сравнения смоделирован базовый случай, который представляет собой прямой канал тех же самых размеров, как для случаев с поверхностными элементами в плане длины канала, ширины канала и размера промежутка. Характеристики работы реактора с поверхностными элементами количественно измеряли, используя следующий фактор улучшения:
Х в приведенном выше уравнении - это скорость преобразования метана. Этот показатель рассчитывается на основании скорости массового потока на входе и выходе реактора. Хотя предполагается однородная концентрация метана на входе реактора, это не так на его выходе. В принципе, концентрация метана не является полностью однородной по поперечному сечению канала на выходе. Общая скорость потока метана на выходе интегрируется по площади выхода для расчета среднего преобразования.
А) Поверхностные канавки расположены под углом 90° к направлению потока или по существу горизонтально к направлению потока
Результаты моделирования показывают, что отсутствует конвективное смешивание среды в канавках и среды в основном канале. Траектории частиц среды, высвобожденных в канавках, формируют закрытый круг, ограниченный канавками, в которых они высвобождены. Среда перекатывается или вращается только в пределах поверхностного элемента. В реакционной среде протекают химические реакции на поверхности канавок, которые приводят к градиентам концентраций веществ. Массовая диффузия происходит через интерфейс канавок и основного канала потока. В пределах каждой канавки разница давления столь мала, что поперечного перемещения среды не наблюдается. Е-фактор рассчитывали, как показано в Таблице 1.
Таблица 1
Т
Преобразование метана
Е-фактор
С
базовый уровень
случай А
случай А
850
24,2%
22,7%
-6,1%
700
5,4%
6,3%
17,8%
Для этой геометрии был отмечен неожиданный результат - если кинетика была достаточно быстрой (при более высокой температуре), поверхностные элементы могут фактически иметь вредный эффект (элемент с отрицательным улучшением). Если кинетика достаточно быстра и вращение потока происходит только в пределах поверхностного элемента, то перемещение соответствующей области катализатора от стенки канала объемного потока (или пустого канала) на большее расстояние (конец, дно или нижняя часть поверхностного элемента) увеличивает сопротивление массообмену и ухудшает рабочие показатели. Если кинетика медленная, как видно в результатах при более низкой температуре, большее расстояние массообмена от стенки до поверхностного элемента более чем компенсируется добавленной площадью поверхности поверхностного элемента и увеличением времени реакции молекул в пределах поверхностного элемента. В этом образце не использовалась адвекция, чтобы принести реагенты в элементы активной поверхности.
В) Поверхностные канавки под непрямым углом к направлению потока - на обеих противоположных стенках канала - симметрия - сходящиеся потоки в канавках
В этом примере SFGO (V-образные или шевроны) поверхностные элементы (или канавки) моделировались посредством CFD на противоположных стенках основного канала в конфигурации "цис А". Образец SFGO состоит из повторяющихся сходных шевронов и обеспечивает поступление большего количества жидкости в элементы активной поверхности, чем горизонтальный образец канавок. Фактор эффективности всегда положителен, таким образом, элементы всегда обеспечивают поступление большего количества реагентов в элементы активной поверхности.
Оценивали три угла: 30, 45 и 60°. Положительный угол означает, что вершина V-образных канавок указывает вниз по потоку (или направлены по потоку), и потоки в двух ответвлениях V-образных канавок сходятся в середине основного канала потока.
Воображаемые невесомые частицы жидкости, высвобожденные около боковых стенок канала потока, входят в канавки и перемещаются поперек к центру канала. Поток жидкости в пределах каждого отрезка (или ответвления) канавки обусловлен перепадом давления, его максимум наблюдается около боковых стенок основного канала потока - в самом верхнем по потоку месте в данной конкретной канавке. Вторичная структура потока в канавках обусловлена обменом количества движения в интерфейсе между широким потоком в основном канале и потоком в канавках. Налагая вторичный поток на доминирующий поперечный поток в канавках, наблюдают спиральную структуру потока. Эта структура потока улучшает степень химического преобразования, которое имеет место на стенках канавок благодаря более продолжительному эффективному времени реакции. Потоки в двух соединяющих ответвлениях канавок сходятся в центре канала, где сильный поднимающийся поток образуется в основном канале потока. Этот поднимающийся поток наблюдается в секции канавки и достигает своей максимальной силы около центра ширины канала.
Этот сильный поднимающийся поток около центра канала предотвращает всасывание жидкости из основного канала потока в канавки.
Результаты моделирования показывают, что распределение концентраций метана является симметричным относительно средней плоскости. Однако наблюдается определенный уровень неравномерного распределения метана в поперечном направлении. Это приведет к неравномерному распределению скорости реакции, которое в свою очередь вызывает неравномерную тепловую нагрузку. Однако эта неравномерная тепловая нагрузка будет эффективно устранена благодаря теплопроводности вдоль поперечного направления в стенках канала. Аналогично, наблюдается неравномерное распределение продукта (Н2) в поперечном направлении.
Снова наблюдается больший фактор улучшения при более низкой температуре, указывая на то, что элементы канавки эффективно ускоряют реакцию, которая в противном случае протекает медленно.
Таблица 2
Т
Преобразование метана
Е-фактор
С
базовый уровень
Случай В (угол 45°)
Случай В (угол 45°)
850
24,2%
27,2%
12,4%
700
5,4%
7,6%
41,8%
В приведенной ниже Таблице мы видим, что начальные показатели работы реактора при этой геометрии можно расположить по ранжиру для использованных углов от лучшего до худшего следующим образом: 60°>45°>30°.
Таблица: влияние угла
Т
Е-фактор
С
30°
45°
60°
700
27,8%
41,8%
59,7%
С) Поверхностные канавки под непрямым углом к направлению потока - на обеих противоположных стенках канала - симметрия - расходящиеся потоки в канавках
Моделирования также проводили с v-образными канавками, направленными в противоположном направлении, т.е. против течения или в ориентации цис-В, и неожиданно получили тот же самый фактор улучшения, как в случае v-образных канавок, направленных по потоку. Структуры потока весьма отличались для канавок противоположных ориентации. В случае v-образных элементов, направленных по потоку, течение внутри канавок заворачивалось к центру канала или к точке v. В случае v-образных элементов, направленных против потока, течение заворачивалось к сторонам канала. Внутри канавки давление максимально в точке V. В обоих случаях общее увеличение площади поверхности или доступных участков поверхности для реакции остается постоянным, таким образом, объясняя одинаковые показатели работы. Узкий микроканальный промежуток (0,0125") обеспечивает небольшое внешнее сопротивление массообмену в плоском канале, таким образом поперечные и перпендикулярные эффекты потока имели малый эффект. Ожидается, что поперечные и перпендикулярные эффекты потока будут более значительными при увеличении реакционного канального промежутка.
Таблица 4
Т
Преобразование метана
Е-фактор
С
базовый уровень
Случай С (-45°)
Случай С (-45°)
850
24,2%
27,1%
12,3%
700
5,4%
7,6%
41,8%
Вновь распределение концентраций симметрично относительно средней плоскости, кроме наблюдаемого неравномерного распределения метана в поперечном направлении (в отличие от наблюдений в случае), где концентрация метана высока локально в центре ширины канала. Это может приводить к неравномерному распределению скорости реакции, что, в свою очередь, может вызывать неравномерную тепловую нагрузку. Однако эта неравномерная тепловая нагрузка должна эффективно устраняться с учетом теплопроводности вдоль поперечного направления в пределах стенок канала.
D) Поверхностные канавки под непрямым углом к направлению потока - на обеих противоположных стенках канала, но с различной ориентацией
В примерах В и С использовались поверхностные элементы - зеркальные отображения в смысле формы и ориентации на противоположных стенках канала. В этом примере канавки типа В расположены на одной стенке, а канавки типа С расположены на противоположной стенке (противоположные углы). Эта ориентация также называется трансконфигурацией. Плоскость симметрии в середине канала отсутствует.
Доминирующие потоки в поверхностных элементах на противоположных стенках направлены в противоположных поперечных направлениях. На одной стороне поток поворачивается от края к центру основного канала потока к более дальнему краю. В то время, как на противоположной стороне поток поворачивается от края дальше от центра основного канала потока к краю рядом с центром канала потока, эти структуры потока в поверхностных канавках не обеспечивают доминирующего направления поперечного потока в основном канале потока. Это сильно отличается от случая наличия доминирующих направлений потока в варианте В (поток направлен в сторону от центра) и С (поток направлен к центру от сторон канала потока).
И снова наблюдается неравномерное распределение метана в поперечном направлении, но неравномерность имеет меньшую степень. В отличие от случаев В и С распределение концентраций метана вдоль поперечного направления не является монотонным. С одной стороны концентрация в центре выше, чем рядом со стенкой канала. С другой стороны, концентрация около стенок канала выше, чем рядом с центром канала потока. Канавки противоположных ориентации на противоположных стенках усредняют распределение концентрации и поле течения. Поверхностные элементы с неточной симметрией, несовершенной симметрией или асимметричные элементы на противоположных стенках обеспечивают лучшие начальные показатели реактора по сравнению с симметричным расположением, показанным в случаях В и С.
Таблица 5
Т
Преобразование метана
Е-фактор
С
базовый уровень
Случай G (асимметрия)
Случай G (асимметрия)
700
5,4%
7,9%
46,3%
Эти результаты показывают почти одинаковые показатели работы со случаем одинаковых поверхностных элементов на стенках с обеих сторон. Есть небольшое дополнительное улучшение при координировании обоих элементов для обеспечения "выталкивания-оттягивания" с целью усиления перпендикулярного потока. Таким образом достигается небольшое сокращение внешней массопередачи. Однако при моделировании более длинной секции этого образца поверхностных элементов образовывались один или несколько основных потоков, мало взаимодействующих с элементами активной поверхности.
В случае реакторного канала с большим промежутком важность перпендикулярной скорости потока становится большей. При увеличении промежутка вклад во внешний массообмен в плоском канале с ламинарным потоком становится более значительным, т.к. диффузионное время растет как квадрат диффузионного расстояния (или половины промежутка). Использование поверхностных элементов для создания перпендикулярного потока повышает начальный фактор улучшения. Для реакций газовой фазы важность поверхностных элементов и размеров промежутка будет также зависеть от скорости протекания реакции по сравнению со временем, проводимым в реакционном канале, и временем, необходимым для диффузии. Например, реакция SMR, проводимая при времени контакта около 1 мс, будет иметь эффект внешнего массообмена даже при промежутке 25-50 микрон (микрон = одна тысячная дюйма). Реакция SMR, проводимая при времени контакта около 10 мс, вероятно, не будет иметь внешнего сопротивления массообмену, пока промежуток не приближается к 500 микрон. Реакция жидкой фазы будут иметь значительные ограничения массообмена, даже при промежутках менее 500 микрон. Ожидается, что элементы согласно изобретению будут полезны для реакций жидкой фазы, а также для реакций газовой фазы, поскольку реакции жидкой фазы более вероятно связаны с внешними ограничениями массообмена.
Е) Поверхностные канавки под непрямым углом к направлению потока -асимметричный образец на одной стороне • различная ориентация на противоположных стенках канала
Параметры структуры исследовали в широких пределах с точки зрения улучшения показателей работы реактора. Среди них:
- Глубина поверхностного элемента
- Уровень активности катализатора
- Размер основного канального промежутка
- Скорость потока в процессе
Проанализированная структура показана на Фиг.6; темные линии показывают углубления на верхней поверхности, а более светлые линии - в нижней поверхности.
Таблица: улучшение работы реактора при различной глубине элементов при 700°С и 25 атм для кинетики SMR (равновесие преобразования ~44%)
Полная работа
Преобразование метана
Е-фактор
dP, фунт/кв.дюйм
Относительное увеличение dP
Базовый уровень
41,4%
0,0517
0,005" ПЭ
42,8%
3,4%
0,0634
22,6%
0,01" ПЭ
43,7%
5,7%
0,0832
60,8%
0,015" ПЭ
44,2%
6,8%
0,0957
85,0%
Во всех этих моделированиях применена полная активность катализатора SMR, определенная в начале этой части. Как показано в Таблице выше, наблюдается небольшое улучшение в преобразовании метана. Следует подчеркнуть, что преобразование метана, достигаемое во всех случаях, приближается к равновесию преобразования при температуре 700°С. Падение давления от входа до выхода реактора увеличивается по мере увеличения глубины поверхностных элементов. Это отражает большую потерю количества движения в поверхностных элементах большей глубины. Однако падение давления увеличивается при медленной скорости с увеличением глубины поверхностных элементов.
Таблица: улучшение работы реактора для различной глубины элементов (меньшей уровень активности катализатора - 20%)
20% активность
Преобразование метана
Е-фактор
dP, фунт/кв. дюйм
Относительное увеличение dP
Базовый уровень
19,8%
0,0459
0,005" ПЭ
22,6%
14,0%
0,0571
24,4%
0,01" ПЭ
25,1%
26,6%
0,0755
64,6%
0,015" ПЭ
27,3%
37,5%
0,0872
90,1%
Намного более высокая степень улучшения наблюдается при снижении активности катализатора. Для случаев, подытоженных в приведенной выше Таблице, ранее описанная базовая кинетика снизилась до 20% начального базового уровня. Удивительно, но более глубокие элементы обеспечивали лучшие показатели работы. У более глубоких элементов больше площадь поверхности, но также и больше расстояние от пути объемного потока до стенки реактора. Дополнительная площадь поверхности перевешивает проблему массообмена благодаря перпендикулярной скорости потока и в объемном канале, и в самих поверхностных элементах.
Уровень активности определяется как процент снижения предпоказательного фактора, используемого в ранее описанном кинетическом выражении. В целом, влияние элементов активной поверхности является более выраженным при меньших скоростях реакции или кинетики. Это результат увеличения времени, проведенного в элементах активной поверхности, которое становится более важным при снижении активности катализатора.
Таблица: влияние уровня активности на работу реактора для преобразования метана при 0,01" глубине элементов в 700°С и 25 атм
Уровень активности
Преобразование метана
Е-фактор
100%(полная)
Базовый уровень
41,4%
С ПЭ (SF)
42,8%
3,4%
75%
Базовый уровень
38,9%
С ПЭ (SF)
43,2%
11,0%
50%
Базовый уровень
33,8%
С ПЭ (SF)
40,4%
19,5%
20%
Базовый уровень
19,8%
С ПЭ (SF)
22,6%
14,0%
Относительное улучшение, обеспечиваемое поверхностными элементами, проходит через оптимум с активностью катализатора. Если кинетика очень быстрая, а микроканальный промежуток мал (<0,015" для реакции газовой фазы время контакта меньше 10 мс), то добавленный поперечный и перпендикулярный поток в канале предлагает дополнительные преимущества, и большая часть влияния является результатом увеличения площади поверхности. Если кинетика является слишком медленной, то в микроканале превалируют условия короткого времени контакта, и реагенты выходят из реактора прежде, чем произойдет заметное преобразование.
°
Таблица: влияние скорости потока процесса на работу реактора для преобразования метана при глубине 0,015" элементов при 700С и 25 атм.
20% активность
Преобразование метана
Е-фактор
Базовый уровень
19,8%
0,015: ПЭ
27,3%
37,5%
20% больший поток
Базовый уровень
17,2%
0,015: ПЭ
24,2%
40,3%
20% меньший поток
Базовый уровень
23,3%
0,015: ПЭ
31,1%
33,4%
При уровне активности 20% базовой скорости реакции SMR преобразования метана во всех рассмотренных случаях далеки от значения равновесия при 700°С (~44%). Как показано в Таблице, самые глубокие элементы обеспечивают самое большое улучшение. Дальнейшее улучшение неожиданно было обнаружено, когда скорость потока увеличилась выше базового уровня. Улучшение было меньше при снижении скорости потока. Для последнего случая более низкая скорость потока обусловила снижение вращения потока в неподвижной геометрии и, таким образом, немного уменьшила фактор улучшения. При увеличении скорости потока росла и общая скорость, а также поперечная и перпендикулярная скорость, созданная поверхностными элементами. Так как кинетика была медленнее, чем в базовом случае, эффект поверхностных элементов становился более важным - частично из-за того, что базовая кинетика для этого исследования была очень быстрой.
Более высокая скорость потока также соответствует более высокому числу Рейнольдса. Поскольку число Рейнольдса увеличено, молекулы тратят большую часть времени в пределах элементов активной поверхности, и потому есть больше времени на катализаторе или рядом с ним для протекания реакции.
Таблица: влияние канального промежутка на работу реактора (размер промежутка: 0,04"), 700°С, 25 атм, реакция SMR, 0,01" глубина поверхностных элементов
20% активность
Преобразование
Е-фактор
Базовая скорость потока
Базовый уровень
7,6%
0,010: ПЭ
10,1%
31,9%
50% больший поток
Базовый уровень
5,4%
0,010: ПЭ
7,2%
34,8%
50% меньший поток
Базовый уровень
13,6%
0,010: ПЭ
17,2%
25,9%
Для случаев, показанных в этой таблице, моделировали намного больший промежуток. При использовании намного большего промежутка, как ожидалось, наблюдали больший фактор улучшения. Сопоставимый случай для 20% базовой активности и базовой скорости потока при глубине 0,01" поверхностных элементов имел фактором улучшения 26,6% для промежутка 0,0125" против 31,9% для промежутка 0,04". Тенденция с более высоким фактором улучшения для случая более сильного потока также наблюдается для случая большего промежутка.
ПРИМЕР - улучшение теплопередачи с применением поверхностных элементов
Поверхностные элементы вызывают появление путей вращающегося или спирального потока, которые улучшают теплопередачу от стенки объему жидкости и наоборот. Улучшение теплопередачи, обеспеченное поверхностными элементами, оценивали, используя вычислительную гидрогазодинамику. Использовали инструмент Fluent V 6.1.22.
Модели CFD были построены для двух микроканалов, отличающихся по наименьшему размеру. У одного канала был промежуток 0,0125", в то время как другой имел промежуток 0,040". Для каждого размера промежутка были построены две модели: 1) без поверхностных элементов и 2) с поверхностными элементами, чтобы оценить повышение теплопередачи, соответственно.
Модели CFD были построены с применением Gambit V2.2.30. Детали размеров канала и поверхностных элементов показаны на Фиг.1-3. Размер основного канала -ширина 4,06 мм, промежуток 1,02 мм и длина 36,83 мм. Длина основного канала между начальными 3,81 мм и конечными 5,08 мм длины основного канала имеет поверхностные элементы, как показано на Фиг.6. Образец поверхностных элементов похож на предложенный в SHM, но не по размерам или числу стенок микроканала, содержащих элементы, и не в применении заполняющих элементов, используемых в этом примере. Поверхностные элементы открыты на 0,38 мм, разделены стенкой 0,38 мм и имеют глубину 0,25 мм и используются с обеих сторон микроканала.
Сетка для вычислительного анализа жидкости была разработана в Gambit. Общее число ячеек равнялось 131106, общее число сторон - 542409, общее число узлов - 177006. Сеть была составлена так, чтобы она была максимально регулярной.
Рассматривали две среды для определения эффективности смешивания поверхностных элементов. Свойства и рабочие условия сред даны ниже:
1) Газ
а. Давление на выходе = 345 фунт/кв.дюйм
b. Температура на входе = 300 К
-5
с. Вязкость = 1,28×10 кг/м/с
d. Теплопроводность = 0,087 Вт/м/К
е. Удельная теплоемкость = 2768,03 Дж/кг/К
f. Плотность = Используется закон идеального газа
g. Молекулярная масса = 17,49 г/моль
-5
2
h. Молекулярная диффузионная способность = 1×10 м/с
2) Жидкость - вода
а. Давление на выходе = 14,7 фунт/кв. дюйм
b. Рабочая температура = 300 К
-3
с. Вязкость = 1,0×10 кг/м/с
d. Теплопроводность = 0,6 Вт/м/К
е. Удельная теплоемкость = 4182 Дж/кг/К
3
f. Плотность = 998,2 кг/м
g. Молекулярная масса = 18,01 г/моль
-9
2
h. Молекулярная диффузионная способность = 1 х 10 м/с
Случай 1: канальный промежуток 0,0125 дюйм
В качестве среды используется жидкость - вода;
Граничные условия
- Рабочее давление = 14,7 фунт/кв. дюйм
- Давление на выходе = 0 фунт/кв. дюйм ман.
- Скорость на входе = 1,54 м/с
- Температура на входе = 300 К
- Температура стенки = 350 К
Число Рейнольдса среды в канале -1000. Число Рейнольдса рассчитывали так:
3
где ρ=плотность среды, кг/м;
ν=скорость среды, м/с;
D - гидравлический диаметр канала, м; µ=вязкость среды, кг/м/с.
Полный коэффициент теплопередачи оценивали как
где
общ
2
НТС= полный коэффициент теплопередачи (Вт/м/к);
ст
Q= тепло, переданное от стенки (Вт);
пл
2
А= площадь теплопередачи при гладкой (без поверхностных элементов) геометрии, м;
LMTD = логарифм средней разности температур.
Выбранная модель
2/
Модель К-Омега (тип SST) была выбрана для анализа CFD. Значения констант модели были значениями по умолчанию, предоставленными Fluent 6.0. Была выбрана модель переноса веществ при полной многокомпонентной диффузии. Диффузионная способность составила 1Е-5 мс.
Результаты
На Фиг.7 приведено сравнение температурного профиля между плоским каналом (без поверхностных элементов) и каналом с поверхностными элементами. Температурный профиль по центру канала вдоль направления потока нанесли на график. Все температуры были выражены в градусах Кельвина. Тепло передавалось от стенки среде быстрее при наличии геометрии с поверхностными элементами. В Таблице ниже сравнивают вычисленный коэффициент теплопередачи для плоского канала и поверхностных элементов.
Результаты показали повышение коэффициента теплопередачи на 143% и увеличение падения давления на 63% для случая с поверхностными элементами по сравнению со случаем без поверхностных элементов. Обратите внимание, что относительное улучшение теплопередачи больше, чем относительное увеличение падения давления. Также следует отметить, что для достижения таких же показателей работы, как для плоского канала длиной 1,4 дюйма, требуется канал длиной всего лишь 0,3 дюйма с поверхностными элементами.
Таблица: сравнение коэффициента теплопередачи и падения давления между плоским каналом и каналом с поверхностными элементами с 0,0125-дюймовым промежутком
Плоский канал
SFG-1
Скорость на входе (м/с)
1,54
1,54
Число Рейнольдса
-1000
-1000
% увеличения площади
39%
НТС (Вт/м<sup>2/</sup>К)
12076
29339
% повышения НТС
143%
Падение давления (фунт/кв. дюйм)
1,2
1,9
% увеличения падения давления
63%
Случай 2: канальный промежуток 0,040 дюйм
Использование газа в качестве среды:
Граничные условия
- Рабочее давление = 345 фунт/кв. дюйм
- Давление на выходе = 0 фунт/кв. дюйм ман
- Скорость на входе = 0,47 м/с
- Температура на входе = 300 К
- Температура стенки = 350 К.
В качестве среды используется жидкость - вода:
Граничные условия
- Рабочее давление = 14,7 фунт/кв. дюйм
- Давление на выходе = 0 фунт/кв. дюйм ман
- Скорость на входе = 0,60 м/с
- Температура на входе = 300 К
- Температура стенки = 350 К.
Число Рейнольдса среды в канале 1000.
Выбранная модель
Модель К-Омега (тип SST) была выбрана для анализа CFD. Значения констант модели были значениями по умолчанию, предоставленными Fluent 6.0.
2
Была выбрана модель переноса веществ при полной многокомпонентной диффузии. Диффузионную способность выражали в 1Е-5 м/с.
Результаты
Для этого большего промежутка, геометрии с поверхностными элементами все еще обеспечивают повышение теплопередачи по сравнению с плоской геометрией. В Таблице 2 приведено сравнение коэффициента теплопередачи и падения давления между плоской геометрией и геометрией с поверхностными элементами.
Таблица: сравнение коэффициента теплопередачи и падения давления для плоского канала и геометрии поверхностных элементов с промежутком 0,040 дюйм
Газ
Жидкость
Плоский канал
Поверхностные элементы
Плоский канал
Поверхностные элементы
Скорость на входе (м/с)
0,47
0,47
0,60
0,60
Число Рейнольдса
~1000
~1000
~1000
~1000
% увеличения площади
34%
34%
НТС (Вт/м<sup>2/</sup>К)
336
527
5174
12244
% повышения НТС
44%
136%
Падение давления (фунт/кв. дюйм)
0,0008
0,0011
0,07
0,09
% увеличения падения давления
40%
36%
В обоих случаях увеличение коэффициента теплопередачи больше, чем увеличение падения давления на единицу длины. Кроме того, можно ожидать уменьшения длины микроканала в более эффективном теплообменнике и, таким образом, уменьшения падения давления в системе.
ПРИМЕР - сгорание метана
2
4
Сгорание метана моделировали, используя глобальный одноступенчатый механизм, в котором метан реагирует с 2 молекулами кислорода с образованием одной молекулы СО и 2 молекул воды (уравнение 1). Скорость расхода метана была моделью и соответствует первому порядку как для метана, так и для кислорода (уравнение 2). Энергия активации, оцененная в отдельном исследовании, оказалась равна 553900 кДж/моль, предпоказательный фактор 1130 м/кгмоль/с, а центральная температура 1098,2 К.
Уравнение 1
Уравнение 2
Конкретная цель этого примера состоит в том, чтобы использовать малую модель CFD, чтобы смоделировать геометрию микроканала с изотермическим температурным граничным условием на стенках, чтобы количественно определить улучшение сгорания в конструкции с поверхностными элементами по сравнению с сопоставимой конструкцией с плоскими стенками (или без поверхностных элементов). Входные условия даны в следующей Таблице.
Таблица: граничные условия для моделирования CFD канала и удаления выбросов сгорания Pt-Re обедненного топлива.
Показатель
Единицы
Случай 1 -750°С
Случай 2 -850°С
Вход, част/млн СН<sub>4</sub>
(част/млн об.)
2500
2500
Температура газа на входе
(°С)
750
850
Давление на выходе
(фунт/кв. дюйм ман.)
3,3
3,3
Поток СН<sub>4</sub> на входе
(кг/с)
2,483Е-07
2,483Е-07
Поток O<sub>2</sub> на входе
(кг/с)
5,181Е-06
5181Е-06
Поток N<sub>2</sub> на входе
(кг/с)
1,717Е-04
1,717Е-04
Экспериментальные данные работы с поверхностными элементами и без них приведены на Фиг.8.
4
Модель имела граничные условия, указанные в таблице выше. Предпоказательную константу для кинетики катализатора сгорания изменяли, пока предсказание согласно модели для преобразования СН не совпало с экспериментальными данными при 750°С с поверхностными элементами и без них. Улучшение показателей работы с поверхностными элементами количественно определяли по отношениям предпоказательного фактора, требуемого в модели для соответствия экспериментальным данным с поверхностными элементами и без них. Фактор улучшения благодаря поверхностным элементам оценивали при 750°С.
Фактор улучшения преобразования метана при наличии поверхностных элементах при 750°С составил 4,4х. Т.е. катализатор, расположенный только на плоской стенке, должен был бы иметь в 4,4 раза большую активность при 750, чтобы достигнуть таких же показателей работы, как в случае катализатора, размещенного в микроканале с поверхностными элементами.
Предположения и ссылки
- Геометрия - канал с 0,058-дюймовым промежутком, шириной 0,16 дюйма и длиной 3,5 дюйма
- Поверхностные элементы соответствовали SFG-1 в верхней и нижней части канала.
Для кинетики обедненного сгорания предпоказательный фактор для базового случая составил 1129,3 и был представлен как 1X. Экспериментальный катализатор на гладком или плоском канале, как измерено в этом эксперименте, был намного выше -следствие измененного состава. В обоих случаях использовался одинаковый состав катализатора.
4
4
Предпоказательный фактор был изменен, чтобы соответствовать преобразованию СН для гладкого канала при 750°С. Преобразование СН при 750°С для гладкого канала составляло приблизительно 47% (см. Фиг.1). После достижения соответствия работе гладкого канала предпоказательный фактор был изменен, чтобы достигнуть соответствия работе с поверхностными элементами. Результаты подытожены в следующей таблице.
Таблица: итоги анализа модели CFD при 750°С
Гладкий канал
Канал с поверхностными элементами
Предпоказательный фактор обедненной кинетики
191978
846960
Преобразование СН<sub>4</sub>
Эксперимент
47,6%
58,9%
CFD
47,9%
59,5%
Преобразование О<sub>2</sub>
CFD
8,8%
11,2%
Массовый баланс модели CFD
0,0%
0,0%
Энергетический баланс модели CFD
0,0%
0,0%
Фактор улучшения работы (при 750°С) с поверхностным элементом=4,4х, таким образом, катализатор должен быть в 4,4 раза более активным, чтобы достигнуть такие же результаты преобразования при использовании плоского канала или канала без элементов.
ПРИМЕР: удаление выхлопов
4
2
2
Этот пример моделирует удаление выхлопа от сгорания (конечное значение 2500 част/млн) в упрощенном моделируемом потоке выхлопа сгорания (содержащем только СН, О и баланс N).
Краткое описание структуры
Геометрия включала канал с промежутком 0,058 дюйма, шириной 0,16 дюйма и длиной 3,5 дюйма в устройстве брикетного типа с пластинами с обеих сторон 0,058-дюймового промежутка, которые покрыты поверхностными углубленными элементами или имели плоскую поверхность. Выбранный образец поверхностных элементов - SFG-1 на двух основных противоположных стенках основного канала, в трансконфигурации, с элементами глубиной 0,010 дюйма каждый с 0,015" промежутком и 0,015" интервалом.
Подробности изготовления
Для минимизации фоновой активности детали устройства имели хромовые пластинки (полученные при термообработке inconel 617, при которой канал нагревали до 1000°С в течение 4 часов в разбавленной смеси кислорода и азота).
2
Платина, рассеянная на испарениях оксида алюминия, была нанесена слоем на плоскую поверхность и поверхностный элемент с образцами после тепловой обработки для получения хромовых пластин. Каталитическое покрытие представляло собой 50% Pt, 3% СаО на испарениях оксида алюминия, загруженный до ~10 мг/дюйм. Чистые образцы были плоскими и приготовленными с хромовыми пластинками, но без катализатора.
Организация эксперимента
2
4
2
2
2
2
2
4
2
4
2
Воздух и "топливо" (N+CH) были предварительно подогреты отдельно в змеевиковом трубопроводе, затем вводили воздух непосредственно выше по течению от брикета устройства. Так как N заменяли СО, H, CO и HO в моделируемом выхлопе, кинетическая активность, как ожидали, отличалась от случая включения воды в подаваемые вещества. Потоки были разработаны таким образом, что 2,05% O оставался в выхлопе, если весь СН сгорал. Температура (750-950°С) 2) N скорость потока (7,383-3,184 SLPM) оставались постоянными: Скорость потока СН (0,0213 SLPM), скорость потока O (1,035 SLPM) и устройство.
Результаты
4
Наблюдали статистически значительное различие в измеренном преобразовании СН между плоской поверхностью и образцами поверхностных элементов (на 24% более высокое преобразование при 750°С и на 7% большее преобразование при 900°C). Моделирования CFD подтвердили, что начальные данные при 750-850°С для плоского брикета были действительно в значительной степени ограничены массообменом, и потребовалось бы 4,4-кратное повышение активности катализатора для достижения такого же относительного повышения преобразования метана, как было получено при наличии поверхностных элементов. Смешивание воздуха и топлива непосредственно перед поступлением в брикет значительно уменьшило измеренную фоновую активность даже для таких высоких температур как 950°С.
ПРИМЕР: падение давления
Проводили экспериментальное исследование, чтобы определить падение давления в канале с поверхностными элементами и сравнить его с падением давления в канале без поверхностных элементов.
Устройство было выполнено с образцом SFG0 на обеих основных (противоположных) стенках основного канала, в ориентации цис-А. Семь местоположений давления были намечены между входом и выходом для измерения давления в различных местоположениях в канале. Размеры канала: 0,16 дюйма на 0,020 дюйма при 6,985-дюймовой длине.
Поверхностные элементы имели V-образную форму с углом 45°  между отрезками поверхностных элементов. Отверстия поверхностных элементов составили 0,015 дюйма и имели промежутки 0,015 дюйма между элементами. Глубина каждого поверхностного элемента составляла 0,010 дюйма. Два отрезка "V-формы" были соединены кривой с радиусом 0,008". Другие концы отрезков элементов имели полукруглую форму.
Воздух использовался в качестве среды. Стенд включал один контроллер массового потока Air, 9 соленоидных клапанов и 2 датчика падения давления (0-5 фунт/кв. дюйм диф. и 0-15 фунт/кв. дюйм диф.). Система была полностью автоматизирована таким образом, что после калибровки контроллера массового потока для различных скоростей потока и прикрепления трубок Labview задавал скорость потока, открывал соленоидные клапаны, связанные с 1-м отверстием, определял, какой преобразователь разности потенциалов использовать (0-5 фунт/кв. дюйм диф. или 0-15 фунт/кв. дюйм диф.), ожидал установившегося состояния, записывал значение и перемещался к следующему отверстию. Установившееся состояние определяли при менее чем 1% изменения давления.
План эксперимента составляли таким образом, чтобы проверить эффект поверхностного элемента на падение давления для различных сред при различных скоростях потока. Для эксперимента в качестве сред выбирали воду и воздух. Скорости потока изменяли для получения чисел Рейнольдса в ламинарном и переходном режиме. Ниже приведен план экспериментов.
Результаты
Полная длина канала, где проводили измерения давления, составляла 6,985". На Фиг.9 приведено сравнение экспериментального падения давления с поверхностными элементами и без них. Как видно на Фиг.9, разница в полном падении давления в канале между каналом с поверхностными элементами и каналом без поверхностных элементов растет с увеличением числа Рейнольдса. "Фактор DP" определен как: фактор DP=падение давления в канале с поверхностными элементами/падение давления в гладком канале. На Фиг.10 отображено изменение фактора DP при изменении числа Рейнольдса. Рассчитывали полный фактор DP, а также факторы DP в различных секциях канала. “DР-фактор-1-2" означает фактор DP между давлением в отверстии 1 и 2 (1 соответствует точке, ближайшей ко входу). На Фиг. видно, что около входа (между отверстием 1 и 2) изменение фактора DP с изменением числа Рейнольдса является относительно равномерным. Расстояние между отверстием 1 и 2 равно 0,985". После отверстия 2 фактор DP резко увеличивался с числом Рейнольдса в ламинарном режиме и становился пологим в переходном режиме потока. Изменение последующих факторов DP с числом Рейнольдса (между отверстиями 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5) было аналогичным полному изменению фактора DP с изменением числа Рейнольдса. Нужно отметить, что значения фактора DP - функция структуры поверхностных элементов.
Эти результаты показывают, что увеличение падения давления в канале с поверхностными элементами по сравнению с плоским каналом является функцией числа Рейнольдса. При увеличении числа Рейнольдса отношение dP возрастает от менее 1,5х до более 2,3х. Показатель падения давления для поверхностных элементов по сравнению с плоским каналом асимптотически приближается к 2,3х при увеличении числа Рейнольдса свыше ламинарной области и в переходную и турбулентную область. Для различных структур поверхностных элементов, основных промежутков канала и свойств среды асимптотическое значение будет меняться от системы к системе. Эти результаты показывают, что использование поверхностных элементов может также быть выгодным для повышения передачи или турбулентного потока в микроканалах, где увеличение падения давления выравнивается до равномерной области при увеличении числа Рейнольдса, но чистое увеличение площади поверхности благодаря поверхностным элементам может перевесить увеличение падения давления. Например, для теплообменника, функционирующего в режиме турбулентного потока в микроканале из предыдущего примера, геометрия поверхностных элементов, которая обеспечивает увеличение площади поверхности более чем в 2,3 раза, обеспечит увеличение общей теплопередачи (коэффициент теплопередачи, умноженный на площадь теплопередачи) свыше чистого увеличения падения давления. Чистый результат - меньший объем теплообменника при данной производительности без увеличения полного падения давления. Соответствующая длина микроканала с поверхностными элементами, функционирующего в турбулентном режиме, вероятно короче, чем у плоского микроканала, функционирующего в турбулентном режиме, при одинаковой общей производительности устройства.
ПРИМЕР: моделирование падения давления
В этом примере поток через микроканал, имеющий поверхностные элементы, моделировали с помощью FLUENT. Смоделированная конфигурация была SFGO-45", транс и длиной 10,3 дюймов. Цель этого моделирования состояла в том, чтобы исследовать падение давления для устройства с поверхностными элементами при различных условиях. Результаты CFD показали, что падение давления было высоко чувствительным к поверхностным элементам, и падение давления увеличивалось в диапазоне от 53% до 162% в случае плоского канала, в зависимости от условий.
Конкретная геометрия поверхностных элементов включала:
- 45 (поверхностные элементы
- Расположены в конфигурации ТРАНС (противоположная ориентация в верхних и нижних стенках)
- Глубина поверхностных элементов=0,010 дюйма; ширина=0,015 дюйма
- Шаг поверхностных элементов по длине=0,042 дюйма
- промежуток=0,0125 дюйма
- полная ширина=0,160 дюйма
- Общая длина=10,3 дюйма (0,15 дюйма вверх и вниз по потоку не включает поверхностные элементы)
- Общее количество элементов=239.
Сетка CFD была сгенерирована для вышеупомянутой геометрии, всего 1,4 миллиона шестигранных ячеек.
Описанная выше модель CFD испытывалась при 12 различных условиях:
- Четыре (4) теста проводились в условиях "SMR", а именно: Т=800°С, Р=2533000 Па, р=5,067 кг/куб.м, входная скорость=12,13 м/с - 37,6 м/с.
- Четыре (4) теста проводились в условиях "вода", а именно: Т=20°С, Р=101325 Па, р=998,2 кг/куб.м, входная скорость=1,704 м/с - 5,284 м/с.
- Четыре (4) теста проводились в условиях "воздух", а именно: Т=20°С, Р=101325 Па, р=1,205 кг/куб.м, входная скорость=25,72 м/с - 79,49 м/с.
Кроме того, эти тесты CFD повторяли в данных условиях, но с моделью CFD, которая была лишена поверхностных элементов, в целях сравнения. Основные ключевые предположения для этих исследований CFD включают:
1. Канал ограничен, но не содержит реакции.
2. Поток считают полностью ламинарным.
3. Все поле течения является адиабатическим.
4. Поток имеет установившееся течение.
Расчеты/анализ
Результаты CFD для этих 12+12 тестов приведены ниже. "Полная dP" означает падение давления в поле потока по всей длине. "Установившаяся dP" означает падение давления, происходящее в случае, когда поток считают периодическим. Результаты CFD показали, что периодическая область существовала от 0,654 дюймов до 10,066 дюймов. Наконец, увеличение падения давления также включено.
Сравнение падения давления, поверхностных элементов со случаем плоского, ламинарного потока с поверхностными элементами - шевроны.
Установившаяся область (0,654→10,066 дюйма).
№теста
ReD [-]
Вещества [-]
Полная dP [фунт/кв. дюйм]
Вх. скорость [м/с]
Плотность [кг/м<sup>3</sup>]
Установившаяся dP [фунт/кв. дюйм]
Установившийся фр. фактор [-]
Увеличение dP [%]
1
1000,02
SMR
3,517
12,13
5,067
3,209
0,1462
53,2
2
1699,95
SMR
8,384
20,62
5,067
7,673
0,1210
100,8
3
2399,98
SMR
14,928
29,11
5,067
13,683
0,1082
135,8
4
3099,81
SMR
23,030
37,6
5,067
21,126
0,1002
162,1
5
1001,83
Вода
13,662
1,704
998,2
12,465
0,1461
53,2
6
1703,22
Вода
32,580
2,897
998,2
29,818
0,1209
100,9
7
2405,20
Вода
58,043
4,091
998,2
53,199
0,1082
136,2
8
3106,60
Вода
89,543
5,284
998,2
82,140
0,1001
162,3
9
997,50
Воздух
3,764
25,72
1,205
3,434
0,1463
52,9
10
1694,43
Воздух
8,961
43,69
1,205
8,201
0,1211
100,6
11
2389,81
Воздух
15,929
61,62
1,205
14,599
0,1084
135,3
12
3082,86
Воздух
24,509
79,49
1,205
22,482
0,1003
160,8
Без поверхностных элементов - плоская верхняя часть.
№теста
ReD [-]
Вещества[-]
Полная dP[фунт/кв.дюйм]
Вх. скорость[м/с]
Плотность[кг/м<sup>3</sup>]
Установившаяся dP[фунт/кв.дюйм]
Установившийся фр. фактор[-]
1
1000,02
SMR
2,329
12,13
5,067
2,095
0,0955
2
1699,95
SMR
4,283
20,62
5,067
3,822
0,0603
3
2399,98
SMR
6,538
29,11
5,067
5,804
0,0459
4
3099,81
SMR
9,110
37,6
5,067
8,060
0,0382
5
1001,83
Вода
9,043
1,704
998,2
8,134
0,0953
6
1703,22
Вода
16,631
2,897
998,2
14,842
0,0602
7
2405,20
Вода
25,371
4,091
998,2
22,521
0,0458
8
3106,60
Вода
35,390
5,284
998,2
31,311
0,0382
9
997,50
Воздух
2,497
25,72
1,205
2,246
0,0957
10
1694,43
Воздух
4,581
43,69
1,205
4,088
0,0604
11
2389,81
Воздух
6,988
61,62
1,205
6,204
0,0461
12
3082,86
Воздух
9,739
79,49
1,205
8,619
0,0385
Из этих результатов неожиданно был получен результат, что увеличение падения давления при данном числе Рейнольдса было весьма независимым от фактических свойств среды. Другими словами, при числе Рейнольдса около 1000 примерно 52%-54% увеличение падения давления по сравнению с плоским каналом наблюдалось для смеси реакции парового преобразования метана (23 атм, отношение пара к метану 3 к 1) и 800°С по сравнению с воздухом (газ) или водой (жидкость) при 20°С и 1 атм. Аналогично при числе Рейнольдса около 3000, увеличение отношения падения давления приближалось к 160%. Эти замечательные результаты показывают, что степень дополнительного смешивания, связанного с увеличением падения давления, определяется только числом Рейнольдса. Эти результаты также неожиданны тем, что переходят из режима ламинарного потока до переходного режима потока (Re ~ 3000). Полагается, что геометрия поверхностных элементов и размеры относительно основного канала потока изменят абсолютное значение увеличения падения давления при сравнении плоского канала и канала с поверхностными элементами, однако, увеличение по сравнению с плоской стенкой для данной геометрии будет независимым от среды при одинаковом числе Рейнольдса.
ПРИМЕР: изменяющаяся глубина и ширина поверхностных элементов
Для этого исследования использовали различную глубину и ширину поверхностных элементов. Модели CFD были разработаны в Fluent-6.0, чтобы изучить эффект глубины и ширины поверхностных элементов. Эффект глубины и ширины был определен качественно по линиям траекторий. Для количественного измерения проводили поверхностную реакцию на поверхности элементов и измеряли состав газа на выходе. Было обнаружено, что глубина поверхностных элементов оказывает большее влияние на смешивание потока по сравнению с шириной поверхностных элементов.
Описание моделей CFD для этого исследования приведено в следующей Таблице.
Таблица: описание модели для Случая 1
Предпоказательный (ые) фактор (ы) кинетики
282,3
Номер случая
1,2,3
Тип геометрии поверхностных элементов
SFG-0-60°
Направление потока
Цис-А
Ширина поверхностных элементов (мм)
0,381
Глубина поверхностных элементов (мм)
0,508
Шаг поверхностных элементов или расстояние от касательной до касательной (мм)
0,381
Угол поверхностных элементов (в градусах относительно направления ширины, или ортогонально к объемному потоку)
60°
Канальный промежуток, смоделированный (мм)
0,597
Полный канальный промежуток (мм)
1,194
Ширина канала, смоделированная (мм)
2,032
Полная ширина канала (мм)
4,064
Длина канала выше по течению от элементов (см)
0,381
Длина канала с поверхностными элементами (см)
5,588
Длина канала ниже по течению от элементов (см)
0,381
Общее количество поверхностных элементов на стенке с поверхностными элементами
33
Общее количество стенок, содержащих поверхностные элементы
2
Число ячеек
126 975
Симметрия модели
четверть
Граничное условие на стенке
Температура стенки 870°С
Температура жидкости на входе (°С)
870°С
Входной массовый поток для смоделированной части (кг/с)
4,975Е-5 кг/с
Профиль скорости на входе
равномерный
Давление на выходе (бар)
1,26
Реакция возможна?
Да
Свойства среды
Плотность (кг/м<sup>3</sup>)
Идеальный газ
Теплоемкость (Дж/кг-К)
Закон смешивания
Теплопроводность (Вт/м-К)
Масса-взвешенный закон смешивания
Вязкость (кг/м-с)
Масса-взвешенный закон смешивания
Состав среды на входе
O<sub>2</sub> (мас.%)
0,03240
СO<sub>2</sub> (мас.%)
0,31480
СН<sub>4</sub> (мас.%)
0,00263
H<sub>2</sub>O (мас.%)
0,09184
H<sub>2</sub> (мас.%)
0,00000
СО (мас.%)
0,00000
N<sub>2</sub> (мас.%)
0,55833
Балансы
Масса ([выход-вход]/вход)
0
Энергия ([выход-вход]/вход)
0
Случай 2 был аналогичен случаю 1, за исключением того, что ширина поверхностного элемента составляла 0,508 мм. Случай 3 был аналогичен случаю 1, за исключением того, что глубина поверхностного элемента составляла 0,762 мм.
Предположения для этих исследований CFD включают: поток считают полностью ламинарным; все поле течения является адиабатическим; и поток имеет установившееся течение.
При увеличении глубины поверхностных элементов с 0,508 мм до 0,762 мм с постоянным основным канальным промежутком 0,597 мм, частота перемещений потока к краям, а затем к центру значительно повысилась по сравнению с более широкими поверхностными элементами.
Одна из целей создания поверхностных элементов в канале состоит в том, чтобы "сломать" ламинарный граничный слой и, таким образом, улучшить свойства массо- и теплопередачи. Изучали эффективность увеличения ширины и глубины с применением поверхностной реакции сгорания метана на поверхностных элементах стенок путем сравнения выходной концентрации метана и полного падения давления в канале. В таблице ниже приведены входные/выходные концентрации метана и падения давления для Случаев 1, 2 и 3 с использованием поверхностной реакции.
Таблица: концентрация метана и падение давления
Входная концентрация метана (част/млн)
Выходная концентрация метана (част/млн)
Падение давления (фунт/кв. дюйм)
Случай 1
4902
937
1,81
Случай 2
4899
1036
1,85
Случай 3
4902
679
2,13
Кик видно из Таблицы, в случае 3 (с увеличенной глубиной элемента) обеспечивается минимальная концентрация метана на выходе. Это связано с большим количеством движения потока в канале и лучшей доставкой среды для контакта с поверхностью реактивной стенки. Однако движение потока приводит к более высокому падению давления в канале. Также, при визуальном изучении траекторий случай 2 выглядел лучше, чем случай 1 в смысле движения потока и смешивания в канале. Однако сравнение концентрации метана на выходе в случае 1 и 2 показало, что среда не так хорошо доставляется к реакционной стенке, как в случае 1.
Следует отметить, что кинетика катализатора, используемая в этом исследовании, была несколько медленнее (в 4,5 раза), чем в предыдущих примерах сгорания. Таким образом, предсказываемый показатель метана на выходе (част/млн) был намного выше.
ПРИМЕР - элементы на противоположных сторонах
Сравнение смешивания в канале с поверхностными элементами только на одной стенке и канале с поверхностными элементами на двух противоположных стенках в ориентации "цис" проводили в основном канале, имеющем размеры: 0,0125 дюймов на 0,160 дюйма на 2,5 дюйма. Поверхностные элементы имели тип SFG-0, ширину 0,015 дюймов, глубину 0,01 дюймов и отделялись друг от друга расстоянием 0,015 дюймов. Угол поверхностных элементов для геометрии SFG-0 составлял 45°. Для рассмотренного здесь конкретного случая было обнаружено, что односторонние элементы с ориентацией потока "А" обеспечивали лучшее смешивание в направлении, перпендикулярном потоку. Однако эффективность образца поверхностных элементов зависит от геометрии канала и скорости потока.
Расчеты/анализ
Тест с односторонней геометрией проводили для двух ориентации потока: А и В, где поток А идет вдоль угловых отрезков к вершине, а поток В удаляется в вершину, а затем течет наружу мимо угловых отрезков.
Сравнение падения давления в канале для односторонних и двусторонних поверхностных элементов в цис А и цис В ориентации приведено в таблице ниже.
Таблица: сравнение падения давления
Падение давления (фунт/кв. дюйм)
Цис A
Цис В
Односторонний элемент
1,00
1,04
Двусторонние элементы
н/п
1,13
Более высокое падение давления в двусторонних элементах обусловлено наличием элементов с обеих сторон канала. Для ориентации потока "В" односторонняя геометрия элементов дает самое низкое падение давления и обеспечивает лучшее смешивание, чем в двустороннем случае. Следует отметить, что это сравнение проводилось для относительно малого открытого промежутка потока 0,381 мм и отношения глубины поверхностных элементов к открытому микроканальному промежутку 0,67. В другой части было показано, что при увеличении открытого микроканального промежутка и/или значении отношения глубины поверхностных элементов к открытому микроканальному промежутку ниже 0,3 использование двусторонних поверхностных элементов является особенно выгодным. Особенно полезно переходить к большим открытым микроканальным промежуткам, чтобы повышать производительность работы устройства и уменьшить общее количество металла, содержащегося в устройстве. В некоторых вариантах осуществления ориентация потока "А" менее вероятно формирует бесконечные зоны рециркуляции в замкнутой системе (или мертвые зоны), чем ориентация потока "В". Для других образцов наблюдается обратная тенденция.
ПРИМЕР: геометрия поверхностных элементов
Исследовали ряд геометрий поверхностных элементов для изучения эффективности смешивания и появления вращения потока, условия которых приведены в Таблицах Х1-Х2. Для геометрии и условий случая 1 в Таблице X1 некоторые траектории потока оказываются в мертвых зонах на вершине или в точке изменения угла поверхностных элементов в центре ширины канала. Отчасти, потенциальные мертвые зоны в вершине образуются из-за того, что длины двух отрезков поверхностного элемента одинаковы, а угол каждого отрезка изменяется на 180°, таким образом, создавая точку идеальной симметрии в вершине, где сила потока в элементе одинакова для каждого отрезка. Образцы без такой точки симметрии менее подвержены к образованию мертвых зон.
Таблица X1. Геометрия модели CFD и условия моделирования для случаев 1-3.
Номер случая
1
2
3
Тип геометрии поверхностныхэлементов
5РС-0-45°-цис-В
SFG-6-45°-TpaHC
5Р6-6-45°-цис
Направление потока
Цис-В
Н/П
Н/П
Ширина поверхностных элементов (мм)
0,381
0,381
0,381
Глубина поверхностных элементов (мм)
0,254
0,254
0,254
Шаг поверхностных элементов или расстояние от касательной до касательной (мм)
0,381
0,381
0,381
Угол поверхностных элементов(в градусах относительно направления ширины или ортогонально к объемному потоку)
45°
45°
45°
Канальный промежуток, смоделированный (мм)
0,159
0,457
0,2285
Полный канальный промежуток (мм)
0,318
0,457
0,457
Ширина канала,смоделированная (мм)
2,032
4,064
4,064
Полная ширина канала (мм)
4,064
4,064
4,064
Длина канала выше по течению от элементов (см)
0,381
0,381
0,381
Длина канала с поверхностными элементами (см)
5,588
5,588
5,588
Длина канала ниже по течению от элементов (см)
0,381
0,381
0,381
Общее количество поверхностных элементов на стенке с поверхностными элементами
50
51
51
Общее количество стенок, содержащих поверхностные элементы
2
2
2
Число ячеек
157 800
284 160
142 080
Симметрия модели
Четверть
Полная геометрия
Половина
Граничное условие на стенке
Без проскальзывания
Без проскальзывания
Без проскальзывания
Температура среды на входе (°С)
н/п
н/п
н/п
Скорость на входе (м/с)
12,13
12,13
12,13
Профиль скорости на входе
Равномерный
Равномерный
Равномерный
Давление на выходе (бар)
25,3
25,3
25,3
Реакция возможна?
Нет
Нет
Нет
Свойства среды
Плотность (кг/м<sup>3</sup>)
5,067
5,067
5,067
Вязкость (кг/м-с)
3,62е-5
3,62е-5
3,62е-5
Балансы
Масса ([выход-вход]/вход)
2,0е-7
6,5е-15
2,7е-8
Энергия ([выход-вход]/вход)
н/п
н/п
н/п
Таблица Х2. Геометрия модели CFD и условия моделирования для случаев 4-5.
Номер случая
4
5
Тип геометрии поверхностных элементов
5РС-5,1-45°-цис-А
SFG-5,1-45°-4HC-B
Направление потока
Цис-А
Цис-В
Ширина поверхностных элементов (мм)
0,381
0,381
Глубина поверхностных элементов (мм)
0,254
0,254
Шаг поверхностных элементов или расстояние от касательной до касательной (мм)
0,381
0,381
Угол поверхностных элементов (в градусах относительно направления ширины, или ортогонально к объемному потоку)
45°
45°
Канальный промежуток, смоделированный (мм)
0,2285
0,457
Полный канальный промежуток (мм)
0,457
0,457
Ширина канала, смоделированная (мм)
4,064
4,064
Полная ширина канала (мм)
4,064
4,064
Длина канала выше по течению от элементов (см)
0,381
0,381
Длина канала с поверхностными элементами (см)
5,588
5,588
Длина канала ниже по течению от элементов (см)
0,381
0,381
Общее количество поверхностных элементов на стенку с поверхностными элементами
51
51
Общее количество стенок, содержащих поверхностные элементы
2
2
Число ячеек
118 650
284 160
Симметрия модели
Половина
Полная геометрия
Граничное условие на стенке
Без проскальзывания
Без проскальзывания
Температура среды на входе (°С)
н/п
н/п
Скорость на входе (м/с)
12,13
12,13
Профиль скорости на входе
Равномерный
Равномерный
Давление на выходе (бар)
25,3
25,3
Реакция возможна?
Нет
Нет
Свойства среды
Плотность (кг/м)
5,067
5,067
Вязкость (кг/м-с)
3,62е-5
3,62е-5
Балансы
Масса ([выход-вход]/вход)
1,4е-15
4,7е-16
Энергия ([выход-вход]/вход)
н/п
н/п
Результаты CFD были проанализированы и помогли обнаружить характеристики поверхностных элементов, которые обсуждены ниже. Для геометрии и условий случая 1 в Таблице X1 траектории потока попадают в мертвые зоны в поверхностных элементах в центре ширины канала (где соединяются два направленных вверх по течению края отрезков поверхностных элементов или углы). Результаты моделирования CFD для случая 2 в Таблице X1 показывают, что трансконфигурация для этого типа геометрии поверхностных элементов создает области плохого смешивания с по существу прямым/немного закрученным потоком около центра основного канального промежутка в тех боковых положениях по ширине основного канала, которые примерно соответствуют серединам каждого сегмента отрезка (или угла) канавок поверхностных элементов. При этом поток около содержащей поверхностные элементы стенки основного канала образует завихрения вокруг этих трех центров потока. Напротив, результаты CFD для цис-конфигурации этой геометрии поверхностных элементов (случай 3 в Таблице X1) показывают, что конфигурация цис обеспечивает намного более эффективное смешивание по всему поперечному сечению основного потока в канале, без образования центров потока, которые периодически не захватываются в поверхностные элементы. Траектории потока для случая 3 показывают ту же самую тенденцию, что и для других случаев конфигурации цис. Поток в основном канале "притягивается" к тем боковым положениям по ширине основного канала, которые соответствуют верхнему по потоку концу каждого сегмента отрезка (или угла) канавок поверхностных элементов. Результаты моделирования CFD для случаев 4 и 5 в Таблице Х2 показывают, что эта геометрия поверхностных элементов демонстрирует зависимость от направления потока: при направлении потока цис-В хорошо смешанное течение образуется несколько быстрее, а в случае цис-А поток разветвляется в основном канале, хотя оба случая обеспечивают хорошее смешивание. Как и в случаях цис в Таблице XI, результаты случаев 4 и 5 (Таблица Х2) показывают, что объем потока в основном канале притягивается к указанным боковым положениям по ширине основного канала, которые соответствуют верхнему по потоку концу каждого сегмента отрезка (или угла) канавок поверхностных элементов, и нет никаких центров потока, которые периодически не затягиваются в поверхностные элементы по мере продвижения по длине основного канала.
Общий обзор эффекта геометрии элементов
Два аспекта геометрии поверхностных элементов, которые важны для обеспечения хорошего смешивания в объемном потоке основного канала:
1) поверхностные элементы должны эффективно заставлять часть объемного потока в канале поворачивать в начальную часть каждого поверхностного элемента, и
2) обеспечение достаточной длины поверхностных элементов между локальными краями вверх и вниз по течению или "концами" каждого поверхностного элемента для достаточного числа повторений поверхностных элементов вдоль длины потока. Достаточная длина предпочтительно, по меньшей мере, в два раза превышает канальный промежуток, и более предпочтительно, минимум в 4 раза превышает канальный промежуток.
гл
Одна переменная, важная для обеспечения потока в пределах поверхностных элементов, - это отношение глубины поверхностных элементов R:
SF
гл
где глубина - глубина поверхностного элемента, а зазор - промежуток основного канала. Чтобы заставить достаточную часть потока входить в поверхностные элементы, отношение глубины поверхностных элементов к канальному промежутку, R, должно предпочтительно находится в диапазоне от 0,010 до 100, более предпочтительно в диапазоне от 0,10 до 10 и более предпочтительно в диапазоне от 0,25 до 2.
lateral
spread
Поперечный разброс между локальными верхними и нижними по потоку краями всех поверхностных элементов по протяженности канала, содержащей одинаковую геометрию поверхностных элементов, которая повторяется вдоль длины потока, определяется отношением поперечного разброса R - Отношение поперечного разброса определяется так:
SF
SF
где extremity_length - длина отрезка поверхностного элемента от локального верхнего по течению края до локального нижнего по потоку края, α - угол поверхностных элементов, a span - промежуток поверхностных элементов. Обратите внимание, что в крайнем случае α=90° (когда поверхностный элемент соответствует направлению объемного потока в основном канале), отношение поперечного разброса равно нулю. Для эффективного влияния на объемный поток отношение поперечного разброса должно быть предпочтительно в диапазоне 3-100 и более предпочтительно в диапазоне 5-20. Наличие соответствующего отношения поперечного разброса является необходимым, но не достаточным условием для обеспечения значительного проникновения вызванных поверхностными элементами эффектов течения в объемный поток.
SF
feature entrance
Количество и расстояние между поверхностными элементами также важны при их непрерывном повторении в направлении потока. Интервал от одного элемента к другому предпочтительно меньше, чем extremity_Jength и более предпочтительно в пределах значений 0,1-10 отношения длины интервала к промежутку поверхностных элементов, и еще более предпочтительно - так близко как разумно возможно (этот предел может определяться ограничениями при изготовлении). Минимальное количество поверхностных элементов, которые должны повторяться, чтобы обеспечить хорошее смешивание, зависит от геометрии и условий, но упрощенное эмпирическое правило говорит о том, что канал должен иметь соответствующую длину на входе поверхностных элементов. Другими словами, мы можем определить количество элементов на входной длине (L) следующим образом:
SF
SF
featured_walls
где depth - глубина поверхностного элемента, gap - промежуток основного канала, N - минимальное число непрерывно повторяющихся по существу сходных поверхностных элементов в стенке, и N - число стенок, содержащих поверхностные элементы. Для обеспечения хорошего смешивания количество элементов на входной длине предпочтительно равно 5-80, и более предпочтительно 10-40, и еще более предпочтительно 10-20. Конечно, за пределами входной длины могут непрерывно повторяться больше элементов, чем минимальное количество, но число элементов на входной длине дает оценку минимального количества, необходимого для обеспечения структур потока, которые приносят свежий объемный поток из основного канала в элементы активной поверхности, при условии, что другие аспекты конструкции (такие как основной канальный промежуток) не препятствуют этому.
ПРИМЕР: тепловые реакции
Ожидают, что поверхностные элементы будут полезны для проведения гомогенных реакций, включая каталитические и некаталитические реакции. Пример некаталитической гомогенной реакции - термический крекинг этана с образованием этилена.
Использование поверхностных элементов улучшает смешивание или вращение потока в микроканале и таким образом нарушает ламинарные течения. В традиционном микроканале с ламинарным потоком существует значительный градиент температуры от оси канала до стенки. Для эндотермических реакций температура на оси намного меньше. Таким образом, уменьшается общая скорость реакции. Для экзотермических реакций температура на оси намного выше, поэтому может усиливаться протекание нежелательных побочных реакций. Вращение потока в канале уменьшает температурные градиенты в пределах канала. Кроме того, благодаря поверхностным элементам на стенках обеспечивается намного более высокий коэффициент теплопередачи и большая площадь поверхности для теплопередачи на стенке микроканала. Таким образом, тепло может быстрее передаваться микроканалу процесса для эндотермических реакций или быстрее удаляться от канала процесса для экзотермических реакций, потенциально предотвращая нежелательные побочные реакции. Ожидаемое увеличение поверхностного теплового потока может превысить в 2 раза соответствующее значение для плоского канала с поперечным сечением, касательным к верхней части поверхностных элементов. Общий объем реактора для гомогенной реакции с поверхностными элементами может быть меньше (до 10 раз), чем соответствующий объем реактора без поверхностных элементов.
ПРИМЕР: влияние капиллярных элементов на поглощение и перераспределение катализатора
2
3
2
3
2
2
Два образца (длиной 152 мм х шириной 12,7 мм), один с капиллярными элементами (3CFC=0,76 мм или капиллярные элементы глубиной 3 мил). Капиллярные элементы представляют собой горизонтальные щели (угол 0°, глубина 0,076 мм, ширина 0,076 мм. Длина отрезка составляет 4 мм, другой без элементов (плоский образец, FC) были покрыты путем погружения в раствор ацетата Rh 15% (маc) Rh в DI воде. Капиллярные элементы в этом примере не формировали как сквозные элементы в тонких пластинах, а как элементы, выполненные путем механической обработки в более толстой пластине. Образованные таким образом элементы могут быть одинаково эффективными и могут иметь поперечные сечения, отличные от прямоугольных открытых каналов. Поперечное сечение поверхностного элемента может быть закругленным на всех углах, треугольным, полностью закругленным и т.п. В этом примере (11) поперечное сечение поверхностных или капиллярных элементов имеет закругленные углы. Затем образцы сушили вертикально при 120°C (аналогично обработке в устройстве) и кальцинировали горизонтально при 400°С. После кальцинирования поглощение составляло 2,3 мг (RhO)/дюйм для FC и 5,1 мг (RhO)/дюйм для образцов с капиллярными элементами 3CFC. Проверка поверхностей двух образцов с помощью SEM (сканирующего электронного микроскопа)
В образце 3CFC распределение Rh было однородным в макрослое сверху донизу и слева направо по всей поверхности образца; однако, в плоском образце распределение металла не было однородным, ни в осевом, ни в поперечном направлении.
Качество покрытия
2
3
2
Трещины наблюдаются в покрытии, выполненном с применением 15 мас.% раствора Rh. При использовании более низкой концентрации раствора покрытия можно свести к минимуму растрескивание. Оптическая фотография была получена для образца с капиллярными элементами, который был покрыт два раза 8%-м раствором Rh. Нагрузка Rh на покрытие составляла 8 мг (RhO)/дюйм. Растрескивание не наблюдалось.
Проверка правильности модели капиллярного элемента с помощью экспериментальных результатов
Удержание жидкости в процессе покрытия водным раствором соли драгоценного металла предсказывали, используя модель удержания покрытия для трех геометрий капиллярных элементов. Каждая из этих геометрий также проверялась экспериментально на предмет поглощения катализатора. В модели принимали угол контакта равным ~45° (приближенная величина, измеренная для 8 маc.% раствора родия на типичном образце со стабилизированной поверхностью перед покрытием). Следует отметить, что угол контакта несколько отличается для термически обработанной поверхности, а также в углублениях капиллярных элементов.
Поскольку предсказанное поглощение покрытия было постоянно низким по сравнению с измеренными значениями, предсказанное поглощение также рассчитывали, предполагая, что капиллярные элементы полностью заполняются жидкостью. Оба прогноза сравнивали с измеренными значениями на Фиг.11. Обратите внимание на то, что на Фиг.11 оба предсказания для геометрии 1CFC предполагают, что канавка полностью заполнена, так как фактическая геометрия не соответствует предположениям, сделанным в модели удержания жидкого покрытия. Удивительно, прогнозы с применением модели и предположений о том, что капиллярные элементы полностью заполняются жидкостью, лучше соответствуют экспериментально полученным значениям. Эти результаты указывают на больший угол контакта на поверхностях нижних частей капиллярных элементов. Следует отметить, что трещины оксида алюминия и поверхностная шероховатость могут также влиять на поглощение катализатора.
На Фиг.12 показано, что поглощение Rh значительно зависит от образца капиллярных элементов. Относительно поглощения Rh образцы могут быть классифицированы в следующем порядке по эффективности: 5CFC>3CFC>1CFC>FC, где FC означает плоский канал (без капиллярных элементов) и CFC означает канал с капиллярными элементами или канал с поверхностными элементами. Число перед указателем CFC обозначает глубину элемента в мил или 0,001 дюйма, т.е. 5CFC имеет глубину 5 мил или 0,005 дюйма или 125 микрон горизонтально выровненного поверхностного элемента в канале основного потока микроканала.
ПРИМЕР: односторонняя поверхность для повышения каталитической активности при паровом преобразовании метана
2
2
Влияние односторонних поверхностных элементов в микроканале на наблюдаемую активность катализатора Rh/MgO исследовали в устройстве с 0,006-дюймовым промежутком для потока, испытывая образец без поверхностных элементов (плоский) и образец с поверхностными элементами при одинаковом уровне нагрузки катализатора на единицу площади. Поверхностные элементы сформированы из шевронов, отрезки которых помещены под углом 45° к центральной линии канала в его длинной оси (SFG-0). Сами элементы имели глубину 10 мил и ширину или промежуток 15 мил. Конец шеврона имел округление радиусом 10 мил, а отрезки завершались полными округлениями. Присутствие поверхностных элементов увеличивало область, доступную для удержания катализатора, в 1,63 раза. Сравнение проводилось при 4,1 мс, используя отношение пара к метану 3:1 в диапазоне температур от 675°С до 850°С. Образцы были загружены до 9,5 мг/дюйм (мг активного металла) в случае лишенного элементов образца и 10,5 мг/дюйм (мг активного металла) в случае образца с поверхностными элементами. Вычислительное моделирование гидрогазодинамики проводили используя FLUENT. Было обнаружено, что включение элементов приводило к повышению наблюдаемой кинетической активности, по меньшей мере, в 2,1 раза. Таким образом улучшение массопереноса, обеспечиваемое односторонними поверхностными элементами (только на одной стороне канала), увеличивало наблюдаемую активность приблизительно на 31% по сравнению с ожидаемым уровнем только при увеличении площади поверхности.
Эксперимент - образцы
Образцы для покрытия катализатором готовили с поверхностными элементами и без них. В целом образцы имели длину 1,4 дюйма, поверхностные элементы (при их наличии) располагались по длине 1,323 дюйма. Образцы имели ширину 0,215 дюйма, но соответствующее испытательное устройство было разработано таким образом, чтобы реактивные газы могли протекать только через 0,080 дюйма поверхности с обеих сторон от центральной линии длинной оси канала. Образцы имели толщину 0,095 дюйма и были выполнены из Inconel 617.
2
2
2
2
2
2
2
2
Образцы имели 2 тепловых углубления, чтобы дать возможность измерять температуру металла в процессе работы. Поверхностные элементы формировали из шевронов, отрезки которых размещали по углом 45° к центральной линии канала по его длинной оси (SFGO). Сами элементы имели глубину 10 мил и ширину или раскрыв 15 мил. Конец шеврона имел округление 10 мил, а отрезки завершались полными округлениями. Плоские образцы имели площадь 0,301 дюйм для нанесения катализатора, а образец с поверхностными элементами имел площадь области для нанесения катализатора 0,435 дюйм. Эти площади использовались для расчета нагрузки катализатора на квадратный дюйм (9,5 мг/дюйм Rh на 4 мг/дюйм MgO для плоского образца и 10,7 мг/дюйм Rh на 4,2 мг/дюйм MgO для образца с поверхностными элементами). Площадь каждого образца, открытая действию реагирующей газовой смеси, составляла 0,212 дюйм для образца без элементов и 0,346 дюйм для образца с поверхностными элементами. До нанесения катализатора на образцы наносили покрытие никель-алюминида, которое по оценкам имело толщину 10-20 микрон, а затем термически обрабатывали с образованием тонкого слоя оксида алюминия.
Эксперимент - катализатор
3
2
2
2
Катализатор наносили на образец с поверхностными элементами, нанося капли 12% мае Mg(NO) раствора на образец пипеткой. Покрытый образец сушили при 100°С в течение 1 часа. Процесс нанесения жидкого покрытия повторяли один раз. Образец затем был прокален при 1000°С в течение 4 часов на воздухе. Нагрузка MgO составила 4,2 мг/дюйм. Далее, 10% маc гекса(ацетат)-µ-оксотрис(вода) триродия (III) ацетатный раствор наносили каплями на образец. Образец был высушен при 100°С, а затем прокален при 450°С в течение 1 часа. Процесс нанесения покрытия был повторен, чтобы получить 10,7 мг/дюйм Rh нагрузку.
2
2
2
2
3
Плоский образец (не имеющий поверхностных элементов) нагревали до 1050°С в потоке Н при скорости нагревания 3,5°С/мин. После продувки Аr в течение 1 часа при 1050°С газ заменяли на 21% O/Ar. Образец подвергали термообработке в O/Аr в течение 10 часов, а затем охлаждали до комнатной температуры. Пластинки α-АlО были получены на поверхности после термообработки.
3
2
2
2
Катализатор наносили на плоский образец, нанося капли 12 мас.% Mg(NO) раствора на образец пипеткой. Покрытый образец сушили при 100°С в течение 1 часа. Процесс нанесения жидкого покрытия повторяли один раз. Образец затем был прокален при 1000°С в течение 4 часов на воздухе. Нагрузка MgO составила 3,7 мг/дюйм. Далее, 10 мас.% гекса(ацетат)-µ-оксотрис(вода) триродия (III) ацетатный раствор наносили каплями на образец. Образец был высушен при 100°С, а затем прокален при 450°С в течение 1 часа. Процесс нанесения покрытия был повторен, чтобы получить 9,4 мг/дюйм Rh нагрузку.
2
2
2
2
После подготовки плоский образец имел 9,5 мг/дюйм Rh на 4 мг/дюйм MgO, a образец с поверхностными элементами - 10,7 мг/дюйм Rh на 4,2 мг/дюйм MgO. Чистый образец имел тонкий слой оксида алюминия аналогично образцу с катализатором, однако не имел слоя катализатора.
Эксперимент - условия
Один покрытый катализатором образец устанавливали в испытательное микроканальное устройство, т.е. в каждом тесте на одной стенке основного канала присутствовали только поверхностные элементы и катализатор. После того как готовые устройства были установлены в инфраструктуру тестирования, катализаторы восстанавливали, подвергая действию потока 50 см водорода и 450 см азота при давлении окружающей среды при 450°С в течение 2 часов. Тестирование проводили при 675, 750, 800 и 850°С. Поток метана составлял 150 см, а поток пара - 450 см (отношение пара к углероду 3:1).
Результаты - эксперимент и моделирование
Результаты экспериментов, проведенных на обоих образцах: плоском и с поверхностными элементами, приведены в Таблице 1 наряду с результатами реактивного моделирования, проведенного с помощью пакета вычислительной гидрогазодинамики Fluent™. Плоский образец испытывали приблизительно в течение 53 часов в потоке, получали десять значений в диапазоне температур от 675°С до 852°С. Образец с поверхностными элементами испытывали приблизительно в течение 52 часов в потоке, получали значения в диапазоне температур от 671°С до 865°С.
Тест фоновой активности системы проводили, используя ряд лишенный элементов (плоских) образцов. Этап восстановления не проводили. При условиях ниже 800°С (670, 700, 718) не наблюдали никакого преобразования метана. При 800°С преобразование метана составляло ~4%, а при 900°С преобразование метана составляло ~22%.
Моделирование Fluent™ проводили путем создания расчетного домена, представляющего канал без поверхностных элементов, т.е. область среды шириной 0,160", высотой 0,006" и длиной 1,70", и сходный домен, включающий описанные выше поверхностные элементы, расположенные на 1,32" из полных 1,7". Реактивная часть домена имела длину 1,4". 0,15" оставляли на входе и выходе для формирования потока. В реактивной части модели SMR активность принимали как зависящую от поверхности скорости, а водно-газовому сдвигу позволяли происходить с объемной скоростью, такой что образовывалось локальное равновесие с составом газа. В случае активности SMR только поверхности, соответствующие образцам, рассматривали как каталитически активные. Моделирование использовало температуры газа на входе, скорости потока и давления на выходе, измеренные в экспериментах. Изотермические граничные условия, равные температурам образца, также применяли.
Первый кинетический уровень был определен, используя энергию активации 169 кДж/моль и форму с предварительно определенной скоростью, где скорость преобразования пропорциональна парциальному давлению метана в степени 1,6, и регулируя предпоказательное значение (постоянную скорости) до тех пор, пока не будет получено разумное соответствие между экспериментальными результатами для лишенного элементов образца и прогноза модели CFD. Это было принято в качестве уровня кинетики 1. Ту же процедуру применяли к данным, собранным с использованием образца с поверхностными элементами, и получали второй кинетический уровень. Второй уровень оказался в 2,1 раза выше первого.
Таблица. Экспериментальные результаты и прогнозы модели для плоских образцов и образцов с элементами
Образец без элементов
Образец с элементами
Кинетический уровень=1х (базовый уровень согласно прогнозу для плоского или лишенного элементов канала или образца)
Кинетический уровень=2х базового уровня
Температура
Эксперимент
Прогноз
Эксперимент
Прогноз
(°С)
(%)
(%)
(%)
(%)
675
9,9
11,7
20,5
18,7
750
35,1
35,6
48,8
45,1
800
58,0
55,9
70,8
62,6
850
71,8
70,9
81,6
75,4
Эти результаты показывают, что использование поверхностных элементов способствует уменьшению внешнего сопротивления массопередаче, наблюдаемой при химических реакциях. Катализатор должен был бы быть, по меньшей мере, в 2 раза более активным при нанесении на плоскую стенку по сравнению с нанесением на канал с поверхностными элементами. Этот результат частично обусловлен увеличением площади поверхности (примерно на 60%) и частично - уменьшением внешнего сопротивления массопередаче, связанным с устранением ламинарного параболического профиля среды и последующим привнесением конвекции, которая перемещает реагенты из пути объемного потока к покрытой катализатором стенке.
ПРИМЕР 14:2-сторонние поверхностные элементы для улучшения обедненного сгорания метана и моноксида углерода
Платиново-рениевый катализатор наносили в виде взвеси на два типа образцов: один с поверхностными элементами и один без поверхностных элементов. Их испытывали для определения улучшения, обеспечиваемого добавлением поверхностных элементов при обедненном сгорании (с избытком кислорода) СО и метана. Результаты показали большее преобразование СО и метана при наличии поверхностных образцов. Увеличенное падение давления, наблюдаемое в образце с поверхностными элементами (1,5-1,8 раза), указывает на то, что поверхностные элементы влияют на область потока. Хотя оба образца проходили дезактивацию, образец с поверхностными элементами обеспечивал устойчивое преобразование на протяжении испытания. Преобразование метана, похоже, ограничено скоростью реакции для плоского образца и образца с поверхностными элементами, однако, преобразование СО ограничено массопередачей. В случае сгорания СО включение поверхностных элементов уменьшало начальный выход СО в 15 раз (по сравнению с увеличением площади поверхности, доступной для катализа в 2,2 раза). Среднее повышение сгорания СО после начального периода обжигания составило 4,1х. Это повышение активности оказалось выше ожидаемого, исходя из влияния площади поверхности, и может быть объяснено смешиванием потоков поверхностными элементами (и максимизацией концентрации реагирующих веществ рядом с каталитической поверхностью), а также увеличением эффективного времени пребывания любого объема среды, заставляя его поворачиваться и проходить более длинный путь через реактор (длиннее, чем имел бы место в строго ламинарном потоке).
Образец с поверхностными элементами имеет приблизительно в 2,2 раза большую площадь поверхности, чем плоский образец, и поскольку катализатор наносили таким образом, чтобы получить аналогичные показатели нагрузки (масса на единицу площади), следует ожидать эффекта этого порядка, однако, уменьшение СО в образце с поверхностными элементами соответствует среднему увеличению скорости реакции в 4,1 раза по сравнению с плоским или лишенным элементов образцом. Таким образом, для сгорания СО поверхностные элементы обеспечивают улучшение по сравнению с плоским образцом, превышающее ожидаемое от увеличения массы катализатора. Это улучшение в значительной степени вызвано смешиванием потока, вызванным элементами. Это смешивание поддерживает высокие концентрации реактивов рядом с покрытой катализатором поверхностью. В дополнение к этому эффекту смешивания элементы среды имеют тенденцию перемещаться по более длинным траекториям через реактор, чем это имело бы место в ламинарном потоке. Влияние состоит в увеличении среднего времени пребывания среды.
ПРИМЕР 15 - "прозрачные" поверхностные элементы для улучшения смешивания и теплопередачи
"Прозрачный" (или сквозной) поверхностный элемент - это элемент любой формы, который проходит непрерывно через стенку таким образом, что получается соединение с соседним каналом (т.е. поверхностный канал соединяет канал объемного потока со смежным пространством или каналом). Множество сквозных элементов могут располагаться один над другим для увеличения глубины поверхностного элемента. Даже при отсутствии твердой поверхности на дне элемента, они будут оказывать действие по вращению потока в основном канале, поскольку среда сдвигается относительно среды в соседнем канале. Сквозные элементы особенно полезны в ситуациях, когда необходимо одностороннее смешивание с относительно большим промежутком.
Во втором применении элементы могут использоваться, чтобы перемешать несжимаемый поток, необходимый для поддержания твердых частиц в суспензии. Преимущества сквозных элементов состоят в том, что, особенно при вертикальном расположении каналов, взвешенные частицы не могут накапливаться в "нижней части" элементов, а возвращаются в поток и повторно суспендируются. В другом применении твердые частицы суспендированы в сжимаемом потоке и поддерживаются во взвешенном состоянии благодаря сквозным элементам, а в еще одном приложении капельки жидкости суспендируются в сжимаемом потоке и поддерживаются во взвешенном состоянии. Сходные эффекты могут быть получены с двумя несмешивающимися (или частично несмешивающимися) средами.
В третьем применении катализатор может удерживаться в поверхностном элементе, и эффективность покрытия повышается благодаря тому, что появляется возможность диффузии реагентов и продуктов в покрытие с обеих сторон (в противоположность покрытиям в поверхностных элементах карманного типа, в которых диффузия возможна только с одной стороны).
В четвертом применении две несмешивающихся среды текут с обеих сторон стенки, содержащей прозрачные элементы, например воздух, насыщенный водой, и вода, насыщенная воздухом, текут параллельно с обеих сторон элемента. Частицы, суспендируемые в воздушном потоке, заносятся в элементы путем смешивания воздушного потока элементами и приводятся в контакт с водой. Затем частицы становятся суспендированными в воде и удаляются из газовой фазы. Альтернативно, газ и жидкость (или жидкость и жидкость) могут не быть насыщенными, и контакт с интерфейсом приводит к производству насыщенных потоков. Такие сквозные элементы могли также быть полезными для контакта между жидкостью и жидкостью, как, например, в экстракции жидкости жидкостью.
Пример 17
Эффект изменения геометрии поверхностных элементов и ориентации оценивали путем моделирования CFD сгорания метана в большом промежутке (0,047") основного канала при использовании высокой скорости (>80 м/с) для снижения выбросов или преобразования разбавленной смеси кислорода и метана в азоте с получением очень низких уровней метана на выходе.
Проводили анализ для сравнения результатов сгорания метана в выходной секции реактора длиной 64 мм с поверхностными элементами на 55 мм длины с 5700 част/млн метана на входе при постоянной температуре стенке 870°С для прямого канала (без поверхностных элементов), SFG-0-цис-А-60((поверхностные элементы на двух противоположных стенках, расположенные в виде зеркального отображения относительно центральной плоскости и ориентированные под углом 60" относительно входной плоскости (90° параллельно направлению результирующего потока)), SFG-0-цис-В-75(и SFG-5,1-цис-В-60°. Геометрия SFG-5,1 была геометрией SFG-5, которая непрерывно повторяла элемент поверхности "галочка" в той же самой ориентации. Для каждой из этих геометрий использовали 0,38 мм промежуток элементов и 0,51 мм глубину. Каждый поверхностный элемент охватывал всю ширину основного канала 4,1 мм на каждой из противоположных стенок. SFG-0-цис-А-60(имела самый низкий уровень метана на выходе, част/млн (262 част/млн), затем следовала SFG-5 цис-В-60((529 част/млн), SРG-0-цис-В-75((545 част/млн) и прямой канал (2844 част/млн).
Таблица: сведенные в таблицу результаты для случаев сгорания метана с 5700 част/млн на входе
Геометрия
Преобразование
Сухой газ метан, част/млн
Падение давления[фунт/кв. дюйм диф.]
Прямой канал высотой 0,047"
50,5%
2844
0,76
СSF-0-цис-В-75(0,047" высота,0,015" ширина, 0,020" глубина
90,5%
545
1,33
CSF-0-цис-А-60(0,047" высота,0,015" ширина, 0,020" глубина
95,4%
262
1,80
СSFG-5,1-цис-В-60(0,047"высота, 0,015" ширина, 0,020"глубина
90,8%
529
1,60
Концентрация метана уменьшается весьма линейно в первые несколько десятых частей дюйма реактора, а затем начинает уменьшаться менее значительно от 0,3 до 0,4 дюймов вдоль длины реактора. В этой области поле течения, создаваемое поверхностными элементами, еще не достигает установившегося состояния, и смешивание начинается в пределах реактора. Приблизительно после 0,4 дюйма или около того вдоль длины основного канала объемный поток начинает хорошо смешиваться или вращаться в пределах реактора, и выход метана вновь достаточно быстро снижается. Поток не является ламинарным, а движется и вращается во всех направлениях, таким образом, новая масса приносится в центральную линию адвекцией, а не диффузией, а вместе с ней и изменение в концентрации на оси. Приблизительно после 2 дюймов концентрация на оси начинает становиться более однородной, и полное преобразование метана достигает высокого уровня. После 2,3 дюймов (где поверхностные элементы заканчиваются) концентрация на оси очень низкая и, таким образом, показывает очень хорошую эффективность преобразования канала с поверхностным элементом для этого случая со значительной проблемой ограничения массопередачи.
Входная длина 0,3 дюймов соответствует примерно 10 поверхностным элементам в пути объемного течения. Входная длина примерно 10 элементов меньше, чем входная длина плоского микроканала, превышающая 10 гидравлических диаметров вглубь микроканала. Для этого случая с промежутком 1,19 мм гидравлический диаметр превышает 1,2 мм, и таким образом больше чем 1,2 см полной длины реактора необходимы для полного формирования ламинарного потока. В отличие от этого, канал с поверхностными элементами приближается к полностью сформировавшемуся потоку за 0,8 см, частично потому, что размер поверхностных элементов (0,015-дюймовый промежуток и промежуток между поверхностными элементами) меньше, чем микроканальный промежуток 0,047 дюймов. Эффект более короткой входной длины ожидается при наличии с поверхностных элементов, которые обеспечивают хорошее смешивание в отличие от плоского или гладкого канала.
При повышенных скоростях потока (>50 м/с) элементы SFG-0-Цис-А-45° демонстрировали рециркуляцию потока в поверхностных элементах. Угол наклона шевронов SFG-0-Цис-А был увеличен с 45 до 60 и 75°. Результаты показали два важных момента: угол сильно воздействует на смешивание для более высоких скоростей потока, и с увеличением угла поверхностных элементов от 60 до 75°, ориентация цис-В становится немного предпочтительной по сравнению с ориентацией цис-А. Лучшие показатели работы реакции для этого случая наблюдали в цис-А ориентации с углом 60°. В случае наилучших показателей работы реактора также наблюдали наибольшее падение давления, вызванное усиленным движением потока из основного канала к элементам активной поверхности.
ПРИМЕР 18. Сравнение распределения времени пребывания
Распределение времени пребывания (RTD) является важным показателем работы при проектировании химического реактора. Потоки в микроканальных реакторах являются, при большинстве рабочих условий, ламинарными. В лишенном элементов микроканальном реакторе среду рядом со стенками реактора сложно вытолкнуть из реактора. Это может потенциально вызвать недостаточную селективность продукта и горячий участок в случае экзотермических реакций. Чтобы улучшить RTD реактора с ламинарным потоком, поверхностные элементы, включенные в стенки канала, могут разделять полный поток, входящий в реактор, на множество субпотоков без ввода энергии извне. Поверхностные элементы противоположной ориентации на противоположных стенках имеют тенденцию удерживать среду дольше.
Во всех случаях использование поверхностных элементов заставляет поток приближаться к пробковому режиму и, таким образом, обеспечивает более узкое распределение времени пребывания. Элементы, отобранные в этом исследовании, являются SFG-0 с углом 45°. В этом примере ориентация цис-А обеспечивает наибольшее вращение потока и самый крутой профиль потока, который, таким образом, ближе всего к пробковому режиму.
Во втором сравнении проводили оценку переходного RTD, чтобы сравнить RTD в плоском микроканале (1,02 мм на 4,1 мм, без поверхностных элементов) с таким же основным каналом, имеющим наклонные углубления-канавки глубиной 0,25 мм (образец SFG-1). Гидродинамика канала с поверхностными элементами была ближе к пробковому режиму. Ламинарный поток в трубе покажет классическую дисперсию Тейлора-Ариса RTD, являющуюся результатом быстрого течения по оси (1,5х среднее значения) и медленного потока около границы без проскальзывания. У прямоугольного микроканала есть две осевые точки (боковая и поперечная) с граничными условиями без проскальзывания. Получающийся параболический профиль потока дает градиенты скорости в обоих направлениях: х и у. Получающиеся 2-мерные градиенты образовывают множество наклонов в прямом канале RTD.
ПРИМЕР 19. Завихренность в микроканалах с поверхностными элементами
Завихренность
Завихренность (ω) является локальным векторным компонентом или вращением потока, векторное произведение вектора del (∇) и вектора скорости U.
-ω=∇xU
Величина этого вектора пропорциональна силе вращения жидкости, и таким образом является средством количественного определения степени смешивания. Оказывается, что векторы завихренности перемещаются в зеркальном отражении перемещениям самой среды. Если жидкость растягивается, завихренность возрастает вдоль оси растяжения; если среда наклоняется, векторы завихренности наклоняются вместе с ней; вязкость влияет на завихренность точно также, как на скорость. Завихренность для полностью сформировавшегося ламинарного потока теоретически равно нулю. Таким образом, соответствующий плоский микроканал будет иметь нулевую завихренность, как только поток полностью сформируется.
Следующие условия использовались для моделирования CFD парового преобразования в микроканале с поверхностными элементами, для которых проводили сравнения завихренности.
- 0,0125" (0,32 мм) основной канальный промежуток
- 2,5" (63,5 мм) длина
- 0,160" (4,1 мм) ширина основного канала
- Поверхностные элементы на промежутке 0,015" (0,38 мм), глубина 0,010" (0,25 мм) и разделение 0,015" (0,38 мм)
- 10 м/с скорость потока на входе
- 350 фунт/кв. дюйм ман (25,1 бар) на выходе
- 3 части пара к 1 части метана
- Число Рейнольдса ~1450, хорошо в пределах ламинарного режима.
Оцененные геометрии были (все геометрии с углами 45°, кроме геометрии SFG-4, в которой угол равнялся 22,5°) следующими:
SFG-OF-Цис-А (SFG-0 с Фанелли)
SFG-0-Цис-А
SFG-0-Цис-В
SFG-0F-Транс
SFG-4-Транс.
Используя компьютерную программу FLUENT CFD, выполняли расчет величины полной усредненной по объему завихренности объема полного канала, включая открытый канал и объем поверхностных элементов. Таблица ниже показывает результаты завихренности и качественные результаты смешивания потоков. Более высокая степень завихренности в канале качественно коррелирует с улучшенным смешиванием. Степень смешивания для данного поверхностного элемента могла коррелировать лучше с завихренностью в основном канале или объемной завихренностью в поверхностных элементах. Завихренность - функция местной скорости, поэтому плотность и скорость могут изменять свое общее значение.
Поперечное сечение величины завихренности среды SFG-0-Цис-А в поперечном сечении 1,875" вниз по каналу продемонстрировало высокую степень завихренности в углах основного канала. Взаимодействие между этими тремя поверхностями в углах и потоке канала помогает обеспечить смешивание в поверхностных элементах и поверхности основного канала.
Таблица: геометрия и усредненная по объему величина завихренности и качественные результаты смешивания.
Геометрия поверхностных элементов
Величина завихренности, усредненная пообъему
Качественные результаты смешивания
SFG-0F-Цис-А
77841
Два вихря проходят через центральную по ширине линию, три раза смешиваются в поверхностных элементах перед выходом - Хорошее смешивание
SFG-0-Цис-А
75830
Два вихря проходят через центральную по ширине линию, три раза смешиваются в поверхностных элементах перед выходом - Хорошее смешивание
SFG-0-Цис-В
74525
Два вихря, в которых центральные линии по ширине заходят в центры поверхностных элементов и рециркулируют, не выходя из поверхностного элемента
SFG-0F-Транс
72468
Два вихря с центральными линиями по ширине немного смешиваются, однако центры каждого из вихрей не сильно смешиваются
SFG-4-Транс
71628
Весь поток канала вращается, но центр потока не входит в поверхностные элементы
Величина вектора завихренности колебалась от 100 (Гц) до более чем 628 000 Гц. Средняя усредненная по объему завихренность в этом случае превышает 70000 Гц.
Эта удивительно высокая завихренность отражает высокую степень смешивания, обеспечиваемую поверхностными элементами. Нужно отметить, что одна только завихренность недостаточна для того, чтобы приписать показатели работы устройства элементам активной поверхности. Образец SFG4 (транс) имеет относительно высокую завихренность, хотя не столь высокую как SFG0, но это не обеспечивает отличные показатели работы. Молекулы потока оси не входят в область элемента активной поверхности, по меньшей мере, 1 раз.
Сравнение проводили для плоского канала, функционирующего в турбулентном режиме. Плоский или гладкий канал брали стой же геометрией:
- 0,0125” (0,32 мм) основной канальный промежуток
- 2,5” (63,5 мм) длина
- 0,160" (4,1 мм) ширина основного канала
- Поверхностные элементы на промежутке 0,015” (0,38 мм), глубина 0,010" (0,25 мм) и разделение 0,015” (0,38 мм)
- Входная скорость потока 30 м/с (или 3-кратная скорость потока предыдущего случая)
- 350 фунт/кв. дюйм ман (25,1 бар) на выходе
- 3 части пара к 1 части метана
- Число Рейнольдса ~4360, хорошо в пределах ламинарного режима.
Пиковая завихренность в канале с поверхностными элементами при более низком числе Рейнольдса было удивительно выше, чем обнаруживаемая в плоском канале при намного более высоком числе Рейнольдса (4360). В случае в 3 раза большей скорости потока пиковая завихренность около стенки составляла 551000 Гц по сравнению с 628000 Гц для канала с поверхностными элементами и числом Рейнольдса 1450. Кроме того, увеличение завихренности проникает в путь объемного течения больше в канале с поверхностными элементами, чем в плоском микроканале, работающем с 3-кратной скоростью потока или в 3 раза большим числом Рейнольдса. Плоский канал локализовал максимальную завихренность около стенки вместо того, чтобы создавать больше вращения потока и движения в канале объемного потока.
Падение давления для плоского канала, работающего с числом Рейнольдса 4360, составляло 0,47 фунт/кв. дюйм ман. согласно вычислениям Fluent при описанных выше условиях, а для соответствующего плоского канала, работающего с числом Рейнольдса 1450, равнялось 0,2 фунт/кв. дюйм ман. Смоделировали и измерили падение давления в микроканале с поверхностными элементами. Оно оказалось в 2 раза большим, чем в плоском канале с числом Рейнольдса около 1500 и примерно равным 0,4 фунт/кв. дюйм ман. Чистый результат - большее смешивание при более низком числе Рейнольдса и с меньшим падением давления при использовании элементов активной поверхности, чем при использовании того же канала в режиме турбулентного потока.
ПРИМЕР: теплопередача
Изготовили испытательное устройство, чтобы продемонстрировать повышение теплопередачи при использовании каналов с поверхностными элементами. Корпус устройства содержал щель таким образом, что два образца вставляли в щель, а промежуток между вставленными образцами формировал микроканал для протекания среды. Корпус устройства был выполнен из прута диаметром 12,7 мм, имел отверстия для образцов, часть щели в корпусе устройства имела размеры 5,59 мм х 2,54 мм и располагалась в 0,64 мм от центра поперечного сечения прута. При установке образцов в отверстия образовывался микроканал с номинальным промежутком 1,27 мм. Ширина микроканала составляла 4,06 мм. Общая длина корпуса равнялась 88,39 мм. Отверстия для термопар располагались на расстоянии 25,4 мм друг от друга в основном корпусе устройства. Отверстия для термопар имели глубину 3,81 мм и диаметр 0,89 мм. В целом длина плоской стенки и образцов с поверхностными элементами составляла 88,39 мм. Для образцов с поверхностными элементами общая длина поверхностных элементов составляла 86,36 мм. Ширина образцов равнялась 5,46 мм. Образцы имели толщину 2,41 мм и были выполнены из Inconel 617.
Реактор с образцами с поверхностными элементами изображен на Фиг.13. Поверхностные элементы имели форму “V” с отрезками, расположенными под углом 75” (где угол 90° соответствует по существу параллели основному направлению потока, а 0° - горизонтали к пути основного течения. Каждый из элементов имел глубину 0,51 мм и ширину или раскрыв 0,38 мм. Конец поверхностного элемента имел округление 0,20 мм, а отрезки завершались полными округлениями. Каждый поверхностный элемент была отделен от следующего на 0,38 мм.
Азот нагревали до требуемой температуры в нагревателе, а затем подавали в устройство. Устройство поддерживали на бане с постоянной температурой. Газообразный азот выходил из другого конца устройства в окружающую среду. Все соединения в контуре потока выполняли с помощью фитингов и трубок из нержавеющей стали. В процессе экспериментов в бане проводили постоянную циркуляцию для поддержания равномерной температуры. Две термопары были также расположены на поверхности первого брикета, каждая на расстоянии 3,25” от края брикета. Термопара была расположена на расстоянии ~6,3 мм от поверхности брикета для измерения температуры воды. Газ предварительно подогревали перед подачей в устройство. Устройство держали погруженным в воду для обеспечения необходимой температуры. Термпопроводящую смесь Watlow Watlube использовали между образцом и основным корпусом.
Эксперименты проводили для различных скоростей потока и входной температуры. Ниже приведены обозначения, используемые для различных термопар и датчиков давления:
ТС1: средняя температура газа на входе, 3,2 мм перед входом в устройство, °С
ТС2: средняя температура термопары в отверстии для термопары (около входа устройства), °С
ТС3: средняя температура термопары в отверстии для термопары (около выхода устройства), °С
ТС4: средняя температура газа на входе, 3,2 мм после выхода из устройства, °С
ТС5: средняя температура водяной бани, °С
РТ1: среднее давление на входе, кПа
РТ2: среднее давление на выходе, кПа.
Две ориентации были определены для испытания канала с поверхностными элементами. Ориентация 1 соответствует движению потока в направлении, в котором обращены вершины поверхностных элементов. Ориентация 2 соответствует движению потока в направлении, противоположном направлению, в котором обращены вершины поверхностных элементов. Экспериментальные результаты для геометрии поверхностных элементов в обеих ориентациях и для гладкого канала приведены ниже.
2
2
Экспериментальные данные (температура и давления) и геометрия канала использовались, чтобы определить коэффициент теплопередачи в канале. Все вычисления были основаны на площади поверхности гладкого канала. Площадь поверхности теплопередачи гладкого канала составляла приблизительно 6,43 см, в то время как площадь поверхности теплопередачи для канала с поверхностными элементами составляла 19,41 см. Увеличение площади поверхности теплопередачи благодаря поверхностным элементам была в 2,06 раз больше площади поверхности теплопередачи гладкого канала. Коэффициент теплопередачи и падение давления также были спрогнозированы для гладкого канала на основе имеющихся в научной литературе корреляциях.
Таблица ниже дает оценку коэффициента теплопередачи и падения давления на основании экспериментальных данных для канала с поверхностными элементами и канала без поверхностных элементов. Здесь также приведен прогноз для гладкого канала.
Таблица: коэффициент теплопередачи и падение давления на основании экспериментальных данных, прогноз коэффициента теплопередачи и падения давления для гладкого канала
Тип устройства
Число Рейнольдса
Общее Q(Вт)
Экспериментальные LMTD (°С)
НТС (Вт/м<sup>2</sup>/К)
DP (кПа)
Ориентация 1 -поверхностные элементы (SF) в направлении потока
1628
12,5
49,6
267,4
1,2
3100
30,6
78,5
413,2
5,0
4714
61,9
117,9
557,0
10,7
6094
83,6
138,9
638,4
18,7
7465
104,0
154,5
713,9
28,5
Ориентация 2 -поверхностные элементы (SF) против направления потока
1096
6,5
29,5
232,6
0,5
1618
13,1
55,5
249,9
U
3063
32,4
86,6
397,2
4,8
4683
61.4
122,8
530,7
12,4
6034
83,2
144,9
609,1
22,0
8377
117,8
172,8
723,2
41,4
Гладкий канал - без поверхностных элементов
1061
4,5
63,5
75,0
0,3
1553
8,3
91,8
95,5
0,7
2945
22,1
121,2
193,2
2,8
4506
45,1
157,2
304,0
7,2
5835
61,3
177,8
365,9
12,6
6605
31,9
98,6
343,7
11,0
7141
75,8
193,0
416,6
19,0
8117
86,8
206,4
446,1
3,51
Где Q = Оценка общей теплопередачи, Вт
LMTD = Логарифм средней разности температур, °С
2
НТС = Оценка коэффициента теплопередачи, Вт/м/К
DP = Падение давления в эксперименте, кПа.
Таблица ниже отображает улучшение коэффициента теплопередачи и падения давления в канале с поверхностными элементами по сравнению с каналом с гладкими стенками.
Таблица: улучшение коэффициента теплопередачи и увеличение падения давления в канале с поверхностными элементами по сравнению с каналом с гладкими стенками
Число Рейнольдса
Улучшение НТС
Повышение DP
Ориентация 1 - поверхностные элементы (SF)b направлении потока
1591
2,80
1,80
3023
2,14
1,83
4610
1,83
1,49
5965
1,74
1,48
7303
1,71
1,50
Ориентация 2 - поверхностные элементы (SF) против направления потока
1079
3,10
1,75
1586
2,62
1,60
3004
2,06
1,75
4595
1,75
1,73
5935
1,66
1,74
8247
1,62
11,79
2
Где НТС=Оценка коэффициента теплопередачи, Вт/м/K
DP=Падение давления в эксперименте, кПа.
На Фиг.14 показано изменение отношения усиления теплопередачи к повышению падению давления, которое растет как функция числа Рейнольдса. Отношение, большее чем 1, подразумевает, что теплопередача увеличивается в большей степени, чем увеличивается падение давления.
Пример: влияние числа Рейнольдса на эффективность использования поверхностных элементов для смешивания в каналах с большими промежутками
Канал с промежутком высотой 0,119 см (0,047") имеет структуру SFG-0-Цис-А с шевронами 60°. Его исследовали с помощью программы Fluent версии 6.2.16 вычислительной гидрогазодинамики. Размеры канала следующие: промежуток 0,119 см, ширина 0,406 см (0,160") и длина 6,35 см (2,5"). Шевроны имели глубину в стенке 0,051 см (0,020") и ширину 0,038 см (0,015"), разделение по нормали между шевронами 0,038 см (0,015"). Образец цис-А с одинаковыми элементами с обеих сторон канального промежутка. Шевроны были центрированы по середине ширины канала, шевроны проходили от центра к стенке на расстояние 0,203 см (0,080") с обеих сторон с углом 60° между осью ширины канала и стенкой в направлении, противоположном направлению потока. Другими словами, точка на линии симметрии шеврона соответствует направлению потока. Всего было 33 поверхностных элемента в ряд. Длина для формирования вверху по потоку составляла 0,406 см (0,160") до начала элементов, а длина внизу по потоку 0,584 см (0,230") начиналась от конечной точки последнего шеврона. В модели использовались плоскости симметрии, обусловленные геометрией: горизонтальная плоскость симметрии по ширине разделяет канал пополам в центре канального промежутка, созданного конфигурацией цис, и вертикальная плоскостью симметрии промежутка, которая разделяет канал пополам в центре ширины канала, созданной центрированными шевронами. Эти линии симметрии позволяют использовать симметрию канала типа "четверть".
Условия моделей Fluent версии 6.2.16 перечислены в этом параграфе. В общей сложности 127000 узлов использовались в этой модели с симметрией типа "четверть". Статическое давление на выходе канала составляло 125,42 кПа (18,19 фунт/кв. дюйм атм). Скорость потока согласно проекту составляла 4,975Е-05 кг/с со следующими входными массовыми частями потока: кислород 0,03240, диоксид углерода 0,31482, метан 0,00263, пар 0,09184, остаток - азот. Считалось, что вещества хорошо смешаны на входе. Скорости потока для рассмотренных трех случаев составляли 100%, 50% и 10% скорости потока согласно проекту. Температуры потока на входе и стенок поддерживали постоянными на уровне 870°С (1598°F). Система использовала ламинарную модель вязкого течения, закон об идеальном газе для плотности и теплоемкости, законы массово-взвешенного среднего смешивания для теплопроводности и вязкости и диффузионных способностей кинетической теории вместе с полными многокомпонентными диффузионными уравнениями. В реакторе использовали поверхностную реакцию сгорания метана, но скорости не относятся к данному анализу, как смешивание сред, поскольку общая скорость потока метана для сгорания мала и не должна значительно изменять температуру или состав потока в линиях течения, поскольку массово-взвешенная динамическая вязкость на входе и выходе равна - 4,44Е-05 кг/м/с и 4,43Е-05 кг/м/с, соответственно.
Результаты модели сведены в таблицу в Таблицу ZZ. В ней приведены параметры потока на входе канала и результаты смешивания, когда процент полного потока находится в пределах от 100% до 50% до 10%. Основанное на промежутке число Пекле зависит от скорости на входе, промежутке канала вместо гидравлического диаметра основного канала (промежуток и высота - единственные используемые размеры) и диффузионной способности метана во входном составе и при установке температуры и давления 141,2 кПа. Вычисления числа Рейнольдса основаны на четырехкратной массовой скорости потока по сравнению с моделью, гидравлическом диаметре основного канала и входной динамической вязкости 4,44Е-05 кг/м/с. Расчет процента путей, проходящих, по меньшей мере, один раз через поверхностные элементы, были основаны на анализе траектории частицы CFD для невесомых частиц, выпущенных из линии, образованной входной плоскостью и вертикальной плоскостью симметрии промежутка (6 линий пути) или горизонтальной плоскостью симметрии ширины (23 линии пути).
Таблица ZZ. Сведенные в таблицу результаты для модели с поверхностными элементами CSF-0-Цис-А 60° с уменьшением массовой скорости потока. Для случаев 10% и 50% потока полное смешивание не наблюдалось в 33 размещенных последовательно элементах.
Процент полного потока
100%
50%
10%
Скорость на входе [м/с]
94
50,4
10,34
Диффузионная способность метана при 870°С, 141,2 кПа [см<sup>2</sup>/с]
2,22
2,22
2,22
Основанное на промежутке число Пекле [-]
505
271
56
Число Рейнольдса на входе [-]
1705
852
170
% линий пути, проходящих, по меньшей мере, один раз через поверхностные элементы
От вертикальной плоскости симметриипромежутка (6 полных линий пути)
100,0%
50,0%
0,0%
От горизонтальной плоскости симметрии ширины (23 полных линии пути)
100,0%
69,5%
17,4%
Число элементов до начала смешивания
6
8
10
Число элементов до полного смешивания(всего 33)
25
Неприменимо
Неприменимо
Результаты в Таблице ZZ показывают, что скорость потока согласно проекту для поверхностных элементов CSF-0-цис-А с 60° шевронами была очень эффективна в смешивании потока и в том, чтобы заставить все входные линии пути потоков пройти, по меньшей мере, через один поверхностный элемент. Использование более низких скоростей потока и той же самой геометрии поверхностных элементов канала обеспечивало в основном меньше линий пути, проходящих через элементы. Скорости потока 10% и 50% полной скорости потока обеспечивали меньшую движущую силу для того, чтобы пройти через эти относительно косые угловые поверхностные элементы, чем при более высокой скорости потока. Цис А ориентация позволяла полной скорости потока использовать более низкие скорости в углах, вызванные примыкающей твердой стенкой, давая возможность среде в этих угловых секциях проходить в дополнительную область, обеспеченную поверхностными элементами.
Угол 60° позволял выходному потоку покидать поверхностный элемент и войти в основной поток канала с количеством движения, более соответствующим направлению потока, чем, например, в случае угла 45°. Когда поток покидает поверхностный элемент, оба вектора количества движения направлены в направлении потока и по нормали, обеспечивая смешивание в объемном потоке. При увеличении скорости потока свыше полного значения потока для обеспечения смешивания могут потребоваться более наклонные углы, такие как 75° или больше. Этот результат показывает, что скорость потока через канал с поверхностными элементами влияет на смешивание в канале, и что оптимальный угол поверхностных элементов зависит и от размеров канала и от скорости потока согласно проекту.
Пример: сравнение времени, проведенного частицей в поверхностном элементе, с основным каналом при различных числах Рейнольдса
Случай изучали для определения времени, проведенного частицей в поверхностных элементах, по сравнению со временем, проведенным в основном канале (вне поверхностных элементов) при различных числах Рейнольдса. Исследование проводили, используя программу вычислительной гидрогазодинамики - Fluent V 6.1.22.
Детали размеров канала и поверхностных элементов показаны на Фиг.3b (SFG-1) и описаны в предыдущих примерах. От точки входа первая секция 3,81 мм канала была без поверхностных элементов на стенках. Поперечное сечение канала является прямоугольным, ширина и канальный промежуток составляли 4,57 мм и 1,02 мм. Следующие 27,94 мм длины содержали поверхностные элементы на стенках, ширина равнялась 4,57 мм. Эта часть называлась "секцией поверхностных элементов". Промежуток основного канала в этой секции был таким же как во входной секции и составлял 1,02 мм. Последние 5,08 мм длины - выходная секция. Здесь не было поверхностных элементов на стенках.
Сетка для модели CFD была построена, используя Gambit V2.2.30. Модель была построена таким образом, что канальный промежуток (размер 1,02 мм) был в направлении X, длина канала (размер 36,83 мм) был в направлении Y, ширина канала (размер 4,06 мм) была в направлении Z. Координаты Х модели изменялись от (1,53 мм, О, 0) до (2,95 мм, 0, 0). Координаты Y модели изменялись от (0, 0, 0) до (0, 36,83 мм, 0).
Координаты Z модели изменялись от (0, 0,-4,57 мм) до (0, 0, 0). На Фиг.4 показаны направления X, Y и Z и их координаты.
Сетка для вычислительного анализа жидкости была разработана в Gambit. Общее число ячеек равнялось 131106, общее число сторон - 542409, общее число узлов -177006. Сеть была составлена так, чтобы она была максимально регулярной. Считали, что рассматриваемая среда имела следующие свойства и рабочие условия:
-5
i. Вязкость = 1,28×10 кг/м/с
j. Теплопроводность = 0,087 Вт/м/К
k. Удельная теплоемкость = 2768,03 Дж/кг/К
I. Плотность = используется закон идеального газа
m. Молекулярная масса = 17,49 г/моль
-5
2
n. Молекулярная диффузионная способность = 1 × 10 м/с.
-5
2
Входную сторону разделили на четыре равных сектора, как показано на Фиг.4. Каждой зоне назначили различное название, однако, теплофизические свойства каждой зоны были одинаковыми. Так, зона А определена как зона с концентрацией=1, В, С, D=0, зона В определена как зона с концентрацией В=1, А,С и D=0 и т.д. Молекулярная диффузионная способность между четырьмя зонами была 1×10 м/с. Число Рейнольдса рассчитывали так:
3
где ρ=плотность среды, кг/м
v=средняя скорость жидкости на входе, м/с
D=гидравлический диаметр канала,
µ=вязкость жидкости, кг/м/с.
Три случая рассмотрели с числами Рейнольдса на входе=10, 100, 1000. Граничные условия для каждого случая указаны ниже:
- Рабочее давление=2379 кПа
- Давление на выходе=0 фунт/кв. дюйм ман
- Скорость на входе=0,467 м/с для Re=1000, 0,0467 м/с для Re=10 и 0,00467 м/с для Re=10
- Температура на входе=300 К
- Температура стенки=350 К.
Массовая часть зоны А
о А=1
о В=0
о С=0
о D=0
- Массовая часть зоны В
о А=0
о В=1
о С=0
о D=0
- Массовая часть зоны С
о А=0
о В=0
о С=1
о D=0
- Массовая часть зоны D
о А=0
о В=0
о С=0
о D=1
Выбранная модель
Модель К-Омега (тип SST) была выбрана для анализа CFD. Значения постоянных модели были значениями по умолчанию, предоставленными fluent 6.0. Коэффициенты модели турбулентности были следующими: Alpha*_inf=1; Alpha_Jnf=0,52; Beta*_inf=0,09; R_beta=8; A1=0,31; Beta_i(внутр)=0,075; Beta_i(внеш)=0,0828; ТКЕ(внутр)Р Prandt1#=1,176; ТКЕ(внеш)Р Prandtl#=1,0; SDR(внутр)P Prandtl#=2; SDR(внеш)Р Prandt1#=1,168; энергетическое число Prandt1y=0,85; число стенки Prandt1y=0,85;
показатель турбулентности Schmidt=0,7.
2
Была выбрана модель переноса веществ при полной многокомпонентной диффузии. Диффузионная способность составила 1Е-5 м/с. Свойства смеси А, В, С и D были вычислены на основании массо-взвешенного среднего. Модели тестировали, пока масса и энергия не сходились к менее чем 1% входной массы и энергии.
Результаты
Выбрали три точки, как показано на Фиг.15. Все точки были расположены на стороне канала, где входит среда. Для каждой точки лишенная массы частица была выпущена. Наблюдали ее перемещение внутри канала. Проводили расчеты времени, проводимого частицей в поверхностных элементах, и времени, проводимой в основном канале, вне поверхностных элементов. Частица 1 и частица 2 никогда не входили в поверхностный элемент канала при любом числа Рейнольдса.
Таблица ниже содержит результаты сравнения времени при увеличении числа Рейнольдса от 10 до 1000.
Таблица 1: сравнение времени, проведенного частицей внутри и вне поверхностных элементов
Число Рейнольдса
Частица 1
Частица 2
Частица 3
% проведенного времени
% проведенного времени
% проведенного времени
В элементах
Вне элементов(в основном канале)
В элементах
Вне элементов(в основном канале)
В элементах
Вне элементов(в основном канале)
10
0%
100%
0%
100%
28%
72%
100
0%
100%
0%
100%
27%
73%
1000
0%
100%
0%
100%
4%
96%
Из таблицы явно видно, что частица в углу канала входит в поверхностные элементы. Также, когда число Рейнольдса приблизительно равно 1000, шансы частицы оказаться в поверхностных элементах значительно меньше по сравнению со случаем, когда число Рейнольдса равно 10 или 100.
Пример: влияние числа Рейнольдса на время пребывания в поверхностном элементе как часть полного времени пребывания для образца элемента активной поверхности с несколькими углами на элемент при расположении вдоль ширины канала
Канал длиной 0,254 м (10") с поверхностными элементами типа SFG-0-Цис А/Фанелли рассматривали с диапазоном чисел Re от 6 до 600. Простые элементы типа шеврона были зеркальными отображениями на противоположных сторонах микроканала, в конфигурации Цис-А относительно потока. Шевроны были рассоединены в вершине и отделены расстоянием меньше чем 0,4 мм (или 10% полной ширины микроканала). Расстояние Фанелли или расстояние разъединения между двумя отрезками поверхностного элемента, расположенными под различными углами, предпочтительно меньше 20% ширины канала, и более предпочтительно меньше 10% ширины микроканала.
Ширина основного канала составляла 0,4064 см (0,16"), и основной канальный промежуток равнялся 0,04572 см (0,018"). Глубина поверхностных элементов 0,254 мм (0,01"), ширина 0,381 мм (0,015"). Угол ориентации - 45°. По всей длине данного устройства располагалось всего 234 поверхностных элемента на каждой стороне противоположных стенок Азот подавали в устройство с различными средними скоростями. Температура была постоянной: 25°С. Давление на выходе устройства было постоянным - 1 атм. Число Re вычисляли на основании средней скорости на входе и гидравлического диаметра основного канала. Поле течения определяли с помощью программы моделирования CFD Fluent.
С целью проведения химических реакций с применением микроканалов стенок с элементами стенки каналов течения были покрыты катализатором. В случае единственного поверхностного элемента отношение площади поверхности к объему среды было весьма высоким. В результате этого реагенты в поверхностных элементах с большей вероятностью каталитически преобразуются в требуемые продукты. Время, проведенное в поверхностном элементе как часть полного времени пребывания, может служить показателем эффективности поверхностного элемента
Время пребывания среды в поверхностных элементах может быть вычислено как часть полного времени пребывания путем интегрирования вдоль траекторий частиц, образованных у входа реактора. Для практических целей выпускают конечное число частиц и определяют их траектории. Для геометрии этого примера две плоскости симметрии разделяют вход на четыре равных четверти. Рассматривают только траектории частиц, выпущенных из одной четверти входа. Четверть делят на множество ячеек. В каждой ячейке одна частица выпускается из ее центра. Чем больше ячеек рассматривают, тем больше массив частиц, траектории которых отслеживают, и тем более подробные результаты времени пребывания можно получить путем статистического усреднения. Частицы, выпущенные около стенки, отличаются намного более коротким диффузионным расстоянием до покрытой катализатором стенке. Они в основном будут преобразованы на каталитических стенках. Частицы, выпущенные около плоскостей симметрии, не являются представительными, поскольку они могут вообще не попасть в поверхностные элементы, особенно если поверхностные элементы полностью симметричны. Частицы, выпущенные из серой области, являются более представительными для расчета времени пребывания среды в поверхностном элементе. Для простоты только одна невесомая частица выпускается из темной ячейки в центре, и ее траекторию отслеживают.
В любой точке вдоль траектории есть время истечения, связанное с ней, которое является реальным временем, которое требуется частице для того, чтобы попасть в эту точку после поступления внутрь на входе. Из координат любой точки траектории можно определить, находится ли она в углубленном месте, т.е. в одном из поверхностных элементов на стенках. Интегрируя только сегменты траектории внутри поверхностных элементов, получают общее время, проведенное частицей в поверхностных элементах. Путем интегрирования всей траектории от входа до выхода получают общее время. Отношение времени, которое частица проводит в поверхностных элементах, к полному времени пребывания рассчитывали для всех рассмотренных случаев. Результаты представлены в следующей Таблице.
Число Рейнольдса
% Время, проведенное в поверхностных элементах
% Время, проведенное в основном канале
6
11%
89%
24
16%
84%
60
30%
70%
600
37%
63%
Результаты показывают, что время пребывания среды внутри поверхностных элементов, как часть общего времени пребывания, растет с увеличением числа Re, хотя полное время пребывания уменьшается с ростом числа Re. Это указывает на то, что достигается более эффективный контакт с активной поверхностью при увеличении скорости потока или числа Re, no меньшей мере, в рассмотренном в данном исследовании диапазоне чисел Re.
Эти результаты являются типичными для образцов элементов активной поверхности, которые содержат больше чем один угол по ширине любой стенки микроканала, и где по существу сходные поверхностные элементы повторяются для больше чем 15 элементов, особенно при использовании ориентации цис на противоположных стенках. Для образцов только с одним углом по ширине микроканала часть времени, потраченного в пределах элементов, не обязательно улучшалась при увеличении числа Рейнольдса.