ההשפעה של ערוץ גאומטריה על הפצת זרימה בכימיקלים

מבוא לערוץ הגיאומטריה בכימיקלים

גיאומטריה ערוץ - הצורה, הגודל והסידור של מעברי זרימה בתוך כור כימי - ישירות שולט כיצד מגיבים מתערבבים, חום, וממירים למוצרים.בתהליכים החל מסנתזת פרמצבטיקה במיקרו-הולוגים לייצור אמוניה בקנה מידה גדול במיטות ארוזות, התצורה המרחבית של ערוצים מגיבים יותר ויותר לתבניות זרימה, חלוקת זמן וקצבי העברת חום.

המונחים: fat mechanics Considerations

לפני בחינה של גיאמטריה ספציפית, חיוני לזכור את מכניקת הנוזל השולטת זרימה בערוצים.מספר ריינולדס (Re) מאפיין האם זרימה היא laminar (Re < 2000) או טורב (Re > 4000) בזרימה laminar, פרופילים מהירים הם פרבוליים, עם מהירות מקסימלית במרכז ואפס בקירות טורנטים, מייצרות פרופילים דלקתיים וזיהומים כימיים, במיוחד, אבל משפרים של תאים קשים יותר, במיוחד, במיוחד, מגבירים של תאים כימיים.

(הרחבה:0) השפעות של התרחבות (FLT:1) גם משנה: באזור הזרם המתפתח, פרופילים מהירים משתנים לאורך אורך התעלה, המשפיעים על קורלציות חום ומסה.האורך הנדרש לקשקשים זורמים מפותחים לחלוטין עם קוטר ערוצים קצרים מאוד או אלה עם התרחבות פתאומית או התכווצות, אפקטים כניסה יכולים לשלוט בתפוצה הכוללת.

בנוסף, גרף:0 (ירידה בלחץ 1) הוא פרמטר עיצוב קריטי: זה חייב להיות גבוה מספיק כדי להבטיח הפצה אחידה לערוצי מקבילה אבל נמוך מספיק כדי למנוע אנרגיה יתר.היחסים בין גיאומטריה, קצב זרימה, וירידה בלחץ נלכד על ידי Hagen-Poiseuille עבור זרימת laminar צינורות ישר, אבל עבור צורות מורכבות, מזהמים אמפיריים או דינמיקה של חומרים (FD) הם הכרחיים.

השפעת ערוץ הגיאומטריה על הפצת זרימה

גיאומטריה ערוץ משפיעה על זרימת זרימה באמצעות שלושה מנגנונים עיקריים: אחידות זרימה, ירידה בלחץ, ושילוב יעילות.

• (FLT:0) אחידות כפולהFLT:1: בכורים רב ערוצים (למשל, זרז מונוליטי), אפילו הפצה של מגיבים בכל הערוצים חיונית כדי להימנע מאזורים תת-מחוקים או תגובות מפלט באלה שאינם מוכימים.
• (FLT:0) ניכויים ניכויים 1:1: נארור או יותר ערוצים מרתיעים מגבירים את ההתנגדות.כאשר הערוצים מסודרים במקביל, הבדלים קטנים בהתנגדות (בשל ייצור סובלנות או עבירה) יכולים לגרום לפיזור חמור של מחלות.מהנדסים חייבים לאזן את הלחץ נגד הצורך באזור גבוה ושילוב.
• (FLT:0) ,Mixing יעילותFLT:1: בזרימת laminar, ערבוב מסתמכ על דיפוזיה, אשר איטי. Curved או מובל ג'ממטים מעוררים זרימה משנית - כגון דין מערבה בערוצי נחשין - כי מתח ואלמנטים נוזליקים, באופן דרמטי מאיץ ערבוב.

כור כורים בעולם האמיתי משתמשים לעתים קרובות בשילוב של השפעות אלה.לדוגמה, כור מקביל עשוי לכלול מכשולים תקופתיים או חלקים מעוקלים כדי לקדם ערבוב תוך שמירה על ירידה בלחץ נמוך יחסית.

ערוצים סטרייטים

ערוצים סטרייטים הם הגיאומטריה הפשוטה ביותר: הם קלים לדיור, מודל וגודל. במערכות ערוצים יחיד (למשל, כור צינור דק), זרימה היא מתואמת היטב על ידי קורלציות מבוססות לליטר או לזרם סוער.עם זאת, במערכות מרובות ערוצים, ערוצי מקבילה סובלים לעתים קרובות מפיצות ממחלה, אלא אם כן בראש תוכנן בקפידה.

(FLT:0) כורים לוח-לוחיים (FLT:0) הם תצורה משותפת של ערוץ ישר-ערוצית.הם משמשים בכורים אלקטרו-כימיים וכמה תהליכים קטליטיים.היחס של הערוץ-ל-עד-עד-מטווח משפיע על פרופיל זרימה: יחסי המרה גבוהים (narrow, ערוצים גבוהים) מספקים זרימה אחידה יותר, אך מגבירים את הלחץ העצום, אך עלולים להעברה בעייתית לחץ על לחץ תרמי עבור מגבלות נמוכות, אך ורק לכדי לחץ זרזים, כולל מגבלות של זרזים של זרזים (Fic) וקטים (n2, כולל זרזים).

סרפנטן וערוץי קיר

(ב) ערוצים מדגימים כוחות צנטריפוגיים שיוצרים זרמים משניים הידועים כדמן vortices. in a Snakeine (החלים) ערוץ, אלה טורטים תמיד מעוררים את הנוזל, צמצום מרחק הטבולי למיקסום.אפקט זה חשוב במיוחד במיקרולוגיים שבהם RVerlowi נמוך ו diffusion לבדו ידרוש אורך ערוצים ארוכים.

ערוצי הנחש משמשים נרחב ב-FLT:0 (microfluidicssFLT) 1 עבור אסימונים ביולוגיים, סינתזה כימית, ותהליך העצמתיות.לדוגמה, AFLT:2spiral microreactorphal microreactorph 3 משלבת את הריצוף עם מחזור משתנה כדי לשפר את המיזוג והחום.

ערוצים מתואמים מופיעים גם ב-FLT:0 , coilsFLT ,:1 המשמש להחליף חום כורים צ'קוזי.החלל יוצר זרימה משנית שמשפרת את העברת חום רדיואקטיבי, צמצום ⁇ טמפרטורה ומניעת כתמים חמים. כורים הליאליים נפוצים בתגובות אקסתיותרפיות שבו הטמפרטורה היא קריטית עבורסלקטיביות.

ערוצים מחוברים או מעוזים

רשתות מורכבות - כגון bifurcating או fractal דמוי עצי ערוצים - מאפשר למעצבים להפיץ זרימה בדיוק לאזורים מרובים של כורים. Geometries אלה לחקות מערכות טבעיות כמו מערכת vascular או שורשי עץ, שבו הפצה אחידה על אזורים גדולים מתרחשת עם ירידה מינימלית לחץ. כורים כימיים, כבל מתפתל יכול להגיב באופן שווה למיקרוסקופים מקבילים רבים, מזרז את ההשפעה הראשית על פני העיקרון הוא אפסית כל אחד לאזן כל אחד.

(FLT:0) רשתות ערוץ ערוצים (FLT:1) הם בעלי עניין מיוחד עבור כורים בקנה מידה רב-ממדיים.הם נועדו באמצעות אלגוריתמים חוזרים, קוטר ערוצים ואורך בהתאם לחוקי הכוח (למשל, חוק מארי 3: 3) הרשת המתקבלת יכולה לספק הפצה אחידה עם ירידה בלחץ כולל נמוך יותר מאשר מערך מקבילה.

גיאומטריה נוספת ברשת היא ה-FLT:0 (PLT)-final-final StructureFLT ( 1:1), שבו סנידוניים קצרים או מרוקנים מסודרים בדפוסים מזוהמים או מתואמים בתוך ערוץ.ערכים אלה מגבירים את שטח פני השטח וגורמים לנפיחות של אזורי חום ועברה המונית.

השפעה על ביצועי תגובה

המבחן האולטימטיבי של גיאומטריה ערוץ הוא איך זה משפיע על תוצאות התגובה. אינדיקטורים ביצועי מפתח כוללים המרה,סלקטיביות, וההפצה של זרימה ישירות (FLT:0residence time Distribution (RTD)igtureFLT:1 ; בזרימת laminar מבוזרת היטב, RTD הוא רחב כי אלמנטים נוזלי ליד הקיר לנוע לאט יותר מאשר אלה במרכז. RTD רחב זה יכול להפחית לתגובות כי הם לא ניתן לתקן את התגובה כי הם קודם כל כך או לא ניתן לתקן את זה יכול להיות קצר דרך תנועה, אם זה יכול להיות קצר דרך תנועה של ערוץ RTD.

(ב) [ה]העברה של ה-[[173]] היא אזור אחר שבו גיאומטריה חשובה.בתגובה קיצונית, כתמים חמים יכולים להיווצר אם הזרם אינו אחיד או אם קירות הערוץ אינם מסירים חום ביעילות.ערוצי נחשין עם יחסים בעלי פני השטח גבוה לנפחים גבוהים משפרים את העברת החום.

גיאומטריה ערוץ משפיעה גם על ה-0 (0) ניצול לרעה של ההרחבה: (במונוליטים מלוטשים, הזרז הוא שכבה דקה על קירות הערוץ. A malled Flow פירושו כמה זרז נחשף לזרימה גבוהה (ריכוז מגיב גבוה) בעוד אזורים אחרים רואים stagnation.זה לא אחיד מקטין את יעילות הכור הכוללת ויכול לקצר את חיי העיצוב המבטיחים לחץ אחיד או מתכתי - כגון זרז אדסנסציוני, כגון:

לבסוף, (FLT:0)phase PartitionFLT:1 בכורים רב-phase (למשל, גז-liquid זרימה במיקרו-ערוצים) הוא רגיש מאוד לגיאומטריה.ערוצי ערוצים, bends, וצומתים משפיעים על בועה או ירידה הפסקה, פחם, ומיקסינג.

Fluid Dynamics (CFD) ב- Channel Geometry Design

בהתחשב המורכבות של זרימה בגיאומטריה לא-straight, CFD הפך כלי חיוני לתכנון הכור.סימולציות CFD לפתור משוואות Navier-Stokes (לעיתים קרובות בשילוב עם חום והובלת המונים) כדי לחזות מהירות, טמפרטורה ושדות ריכוז.עבור זרימת שטח מבוזרת: סימולציה מספרית ישירה (DNS) היא אפשרית עבור גיאומטריה קטנה; עבור טרה-פולנסים (Rics) הם תאים) ו-מפרקים (Ricdgatedddddd) אשר משמשים באופן שיטתיים: LT2; סימולציות) LTDNS) LTDR) LTDNS) סימולציות LTDRicd) הם תאים:

מחקרים פרדוקסליים ואופטימיזציה טופולוגיה נפוצים.לדוגמה, אופטימיזציה עשויה למקסם את אחידות זרימת הדם במניפול על ידי התאמת האזורים הבין-שטחיים של ענפים מוצלחים.התוצאות ניתנות לאבחון ניסיוני באמצעות velocimetry תמונה חלקיקים (PIV) או על ידי מדידה RTD עם עוקבים.

CFD מסייע גם בהבנה (FLT:0) אפקטים מקיפים את אפקטים של ההרחבה ( 1:1 גיאומטריה שעובדת היטב בקנה מידה המעבדה עלולה לסבול מפיצות מוגברת של מחלות בקנה מידה תעשייתי בשל ערוצים גבוהים יותר או ארוכים יותר.סימולציות עוזרות לזהות את הנושאים האלה מוקדם ומדריך העיצוב של אסטרטגיות בקנה מידה, כגון שימוש בשלבי הפצה מרובים או הגבלת זרימה.

מחקר שנערך לאחרונה על ההרחבה FLT:0sinusoidal corrugigture ערוצים 1:1 עבור חילופי חום המשמשים CFD כדי להראות כי הפיצוץ amplitude ואורך הגל יכול להיות מותאם להגדיל את מספר Nusselt על ידי 40% עם רק עלייה של 20% בגורם החיכוך.

מקרה מחקרים

מיקרולוגיים ל- Fine Chemical Synthesis

בתעשיית התרופות, מיקרורקטורים עם ערוצי נחשין משמשים לסינתזה זרימה רציפה.דוגמה בולטת היא ייצור של ביניים עבור התרופה האנטי-ויראלית remdesivir. חוקרים השתמשו מיקרולוגית משופעת עם קוטר 0.5 מ"מ ורדיוס רדיוס קורט של 2 מ"מ.ה Dean vortics להבטיח תערובת מהירה, צמצום זמן התגובה משעות כדי לשמור על מספר גבוה של גיאומטריה הנדרשת רק על ידי ירידה של 2Ds).

לוחיות דלק Bקוטב

Proton להחליף תאי דלק membrane (PEMFCs) מסתמכים על ערוץ גיאוגרפיות בהצלחות דו קוטביות כדי להפיץ מימן וחמצן באופן אחיד על פני המברה. עיצוב משותף משתמש בערוצי מקבילה עם גלקסיות נחשיות. עם זאת, ניהול מים מאתגר: מים נוזליים יכולים לחסום ערוצים, גרימת לחוקרים "אקדמי" עיצוב שבו עומק מפלט כדי ליצור לחץ על ידי יחידות גיאומטריה אחידות.

Catalytic Converters

ממירים קטליטיים של כלי רכב משתמשים מונוליטיות קרמיקה עם אלפי ערוצים רבועים.ההתפלגות הזרמה לתוך האפקטים המרה של המונוליטית משפיעה על יעילות ההמרה במהלך התחלה קרה.עיצובים מודרניים משלבים קוץ' ו צלחת מחוסננת במבוא לזרימת זרימה שווה. CFD שימש כדי לייעל את הגיאומטריה diffuser, צמצום מהירות קורנל מתחת ל-5%.

מגמות עתידיות ומסקנות

התפתחויות בייצור תוספים (3D הדפסה) משחררות גיאומטריה ערוץ מהמגבלות המסורתיות.זה אפשרי עכשיו להדפיס מתכת או כור קרמיקה עם צורות שרירותיות: סלילים helical עם שינוי הדרגתי של המגרש, עצים fractal, או מבנים ⁇ עם גודל ⁇ s בגודל מבוקר בגודל ⁇ s.החופש מאפשר למעצבים לממש ג'ממות שלא היו בלתי אפשריות בעבר, כגון FLT:0triptly מינימלית מינימלית מינימלית עם משטחים מבוקרים (PT) מהיר יותר מאשר עיצובים מהירים יותר מאשר עיצובים אלה יכולים להציע אלגוריתמים של תאים גמישים.

לסיכום, גיאומטריה ערוץ אינה רק פרט מכני; היא מנוף בסיסי לשליטה בתפוצה של זרימה, ערבוב, העברה חום, ובסופו של דבר ביצועים תגובה. על ידי הבנת מכניקה נוזלית של גיאוגרפיות שונות - סטריג, נחשין, רשתed - ומינוף כלים חישוביים, מהנדסים יכולים לעצב כורים יעילים יותר, בטוחים יותר, והיקף.

סלקטיבי עבור מתרגלים:

• תמיד לשקול אפקטים של כניסה ועיצוב ראש בעת שימוש בערוצים מקבילים.
• עבור זרמי laminar, להציג את הראווה או ענף כדי לשפר את התערובת במחיר של ירידה בלחץ מוגבר.
• השתמש מוקדם בשלב העיצוב כדי להעריך אחידות וחום העברה; לאמת עם הניסויים RTD.
• קנה מידה על ידי מספרינג-up ולא רק הגדלת גודל הערוץ, באמצעות רשתות שמשמרות את ההפצה.
• חקר ייצור תוספת עבור גיאוגרפיות חדשניות כי מאצ'ינג קונבנציונלי לא יכול לייצר.

עם עקרונות אלה, ההשפעה של גיאומטריה ערוץ על זרימה יכולה להיות שונה מאחריות פוטנציאלית לטובת עיצוב רב עוצמה.