【摘要】：傳統(tǒng)的微通道反應(yīng)器中,催化劑通常涂覆于微通道內(nèi)表面,存在涂覆質(zhì)量難以控制、催化劑再生操作難度大等問題,為解決上述催化劑的涂覆和再生問題,本文提出將催化劑涂覆于換熱內(nèi)管外表面,并在外管與內(nèi)管間構(gòu)建微環(huán)隙型微通道,為化學(xué)反應(yīng)提供空間。用石英玻璃、有機(jī)玻璃和不銹鋼加工了環(huán)隙尺寸分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mm的環(huán)隙微通道。使用高速攝像機(jī)記錄不同流速下單液相和氣液兩相流的流型變化,探究環(huán)隙尺寸、環(huán)隙外徑、環(huán)隙內(nèi)結(jié)構(gòu)及壁面性質(zhì)、流體物性以及放置方式對流動的影響。采用FLUENT軟件對環(huán)隙內(nèi)的流動進(jìn)行模擬,將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比。單相實驗和數(shù)值模擬中,探究了環(huán)隙尺寸δ的變化對流型、壓降、摩擦系數(shù)的影響。高速攝像機(jī)觀察到在不同環(huán)隙尺寸中層流湍流轉(zhuǎn)捩點雷諾數(shù)并不相同,在δ=1.5mm轉(zhuǎn)捩點雷諾數(shù)開始小于常規(guī)值,在δ≤1.0mm轉(zhuǎn)捩點雷諾數(shù)穩(wěn)定在Re_(cr)=1500-1600,即δ1.5mm時可視為環(huán)隙微通道。同時實驗和模擬均發(fā)現(xiàn)壁面滑移在環(huán)隙微通道作用突出,導(dǎo)致摩擦系數(shù)和摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)乘積小于大尺寸內(nèi)的值。兩相實驗和數(shù)值模擬中,對氮氣和水在不同環(huán)隙尺寸內(nèi)的流型變化進(jìn)行了探究。氣體的分散和氣泡的聚并受流速、環(huán)隙結(jié)構(gòu)和流體物性的影響。液相流速的增大、環(huán)隙尺寸與環(huán)隙外徑的減小、豎直放置和壁面較強(qiáng)的親水性有利于氣體的分散并抑制氣泡的聚并,使兩相流型中泡狀流或彈狀流趨向于更大的氣含率。但豎直放置強(qiáng)化浮力的作用,減小其在環(huán)隙內(nèi)的停留時間。環(huán)隙內(nèi)構(gòu)件的加入有利于環(huán)隙內(nèi)氣體的分散和大氣泡的破碎,在環(huán)隙型微通道中圓形和橢圓形的內(nèi)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)較好。流體物性中粘度的變化影響比較突出,粘性越大環(huán)隙內(nèi)氣體分散越好,氣泡尺寸越小;而表面張力的變化對流動影響甚微。
【圖文】：

Natan[93]VOF 空氣、水微通道壁面由親水性至疏水性導(dǎo)致彈狀流層流轉(zhuǎn)變Fahd[94]水在低 Re 下相比正弦波微通道，扭曲波狀微強(qiáng)化傳熱高出 30%，且壓降小Guo[95]VOF 空氣、水在沒有粘性力的阻礙下，輕微的震動導(dǎo)致流界面的不穩(wěn)定Catalin[96]VOF 油、水毛細(xì)管數(shù)與流速成正比，且毛細(xì)管數(shù)越大的液滴就越小 環(huán)隙型微通道內(nèi)流動的實驗研究與數(shù)值模擬環(huán)隙型微通道是指由兩根同心圓管組成的、位于內(nèi)管外壁面與外管內(nèi)的環(huán)隙型空間，詳見下圖 1-1 所示。

圖 1-2 納米銅生產(chǎn)裝置[98]Fig. 1-2 Nano copper production迄今為止，有關(guān)環(huán)隙型微通道的研究報道極少，僅有北京化工大學(xué)等[97]關(guān)于環(huán)隙型微通道用于納米材料合成的報道，其通過改善分散相進(jìn)入環(huán)隙入口的大小得到大小和形狀均勻的納米銅，其結(jié)構(gòu)如圖 1-2。他們兩相均采用側(cè)方進(jìn)料的方式，且應(yīng)用在液液兩相的納米材料的生產(chǎn)。本次物料入口與環(huán)隙同軸，且主要應(yīng)用在氣液兩相的反應(yīng)中。而有關(guān)環(huán)隙型微通道內(nèi)多相流動的實驗研究和數(shù)值模擬的尚無報道，因而有必要針對環(huán)隙型微通道內(nèi)的單相流體流動、氣液兩相流動、混合、傳熱熱與傳質(zhì)特性進(jìn)行深入研究，，為環(huán)隙型微通道反應(yīng)器的設(shè)計、優(yōu)化和工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)支持。本文嘗試對環(huán)隙型微通道內(nèi)的單液相流動特性、層流湍流轉(zhuǎn)捩點、氣液兩相流動流型等開展實驗研究，并采用 Fluent 對環(huán)隙型微通道內(nèi)的單液相流動阻力、
【學(xué)位授予單位】：北京石油化工學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ021.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2666197