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1、華南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告論文題目層疊式微通道反應(yīng)器流速分布分析班級09機(jī)械(1)班姓名李磊學(xué)號200930011132指導(dǎo)教師潘敏強(qiáng)開題時間2013年3月13日填表日期2013年3月13日開題報告內(nèi)容:一、概述20世紀(jì)90年代以來,自然科學(xué)與工程技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢是向微型化發(fā)展,隨著微全分析系統(tǒng)(μ–TAS)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)概念的提出和發(fā)展,微化工技術(shù)也成為化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的新的重要方向之一。近十幾年來,微熱、微反應(yīng)、微分離、微分析系統(tǒng)等微化工技術(shù)的研究處于迅猛的發(fā)展態(tài)勢。召開了以“微反應(yīng)技術(shù)”、“微通道和微小型通道”為主題的國際會議,德國、美國、日
2、本、法國、荷蘭、英國和中國等國家的相關(guān)研究單位對微化工技術(shù)投入大量研究并取得了一定的成績,像IMM、DUPONT、PNNL、BASF等公司紛紛開展了微化工相關(guān)的研究。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所自20世紀(jì)90年代以來,開展了微反應(yīng)器的制備、微混合技術(shù)、微反應(yīng)等微化工技術(shù)方面的研究,清華大學(xué)開展了微萃取技術(shù)相關(guān)的系列基礎(chǔ)研究。我國的“十一五”計劃把微化工技術(shù)列為中國化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。微通道反應(yīng)器是一種可用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)單元,其借助特殊微加工技術(shù)以固體基質(zhì)制造,通常含有當(dāng)量直徑小于500μm的流體通道。在反應(yīng)器中引入微通道陣列可以有效強(qiáng)化質(zhì)量和熱量的傳遞過
3、程,并且大大提高流體與通道接觸的比表面積,提高反應(yīng)速率的同時也減小了系統(tǒng)體積。微通道可以有效地抑制火焰的擴(kuò)展,使反應(yīng)在爆炸范圍內(nèi)進(jìn)行而不需要任何安全措施。微通道反應(yīng)器還有一個大優(yōu)點,就是將很多微通道并聯(lián)起來可以有效靈活地控制氫氣的產(chǎn)生量,即通過調(diào)節(jié)反應(yīng)單元的的個數(shù)多少。因為反應(yīng)物在反應(yīng)器流動的時間很短,所以可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的要求。二、課題研究目的及意義微通道反應(yīng)器因為其尺寸小,反應(yīng)器能夠快速響應(yīng),這樣就很有利于過程控制和某些催化反應(yīng);另外,因其采用微結(jié)構(gòu),所以不但可以優(yōu)化存在過程,而且還能夠縮短實驗以及工業(yè)應(yīng)用的時間。與此同時,在熱管理方面也具有很大優(yōu)勢,其能夠促進(jìn)等溫操作及
4、允許耦合吸熱和放熱反應(yīng)。微通道反應(yīng)器能夠大大提高流體與通道接觸的比表面積,并且有效強(qiáng)化了熱量與質(zhì)量的傳遞過程,不僅提高了反應(yīng)速率也極大地減小了反應(yīng)系統(tǒng)的體積。平板式微通道反應(yīng)器,不但可以整合復(fù)雜系統(tǒng)的多重反應(yīng),還可以將放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)偶合在一起,充分利用廢熱。到目前,已經(jīng)有很多微通道反應(yīng)器中應(yīng)用了平板式微通道陣列,例如緊湊式制氫燃料處理系統(tǒng)、CO選擇性氧化反應(yīng)器、微混合器和微換熱器。在平板式微通道反應(yīng)器中,為了提高傳熱和傳質(zhì)效率,并且實現(xiàn)高效選擇性和轉(zhuǎn)換性,我們希望反映微通道之間的流速盡可能均勻分布。微通道和均流腔的幾何尺寸對微通道之間的流速分布起著至關(guān)重要的作用,但是實現(xiàn)微
5、通道之間流速完全均勻分布是非常困難2的。并且,當(dāng)前的微通道反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計僅僅依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗,幾乎沒有理論研究支撐,所以在該領(lǐng)域仍處于盲目的設(shè)計階段,因此很有必要通過實驗及理論分析進(jìn)行深入的探究,實現(xiàn)真正的優(yōu)化設(shè)計。平板式微通道反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)大都是很多塊多流道薄板疊加起來,但是一般對微反應(yīng)器的研究僅僅是針對單片薄板的,本課題決定突破傳統(tǒng)的單片薄板的分析,建立層疊式的薄板微通道陣列模型,并采用計算機(jī)數(shù)值模擬的研究方法,通過控制變量逐一改變反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)合相關(guān)理論知識,與原始模型比較,總結(jié)該變量對層疊式反應(yīng)器的流速分布的影響,對于工業(yè)生產(chǎn)實踐中的微通道反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計起到
6、一定的指導(dǎo)作用。三、本課題的國內(nèi)外研究狀況目前,層疊式微通道反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于平板式微通道反應(yīng)器微通道之間的流速分布影響在國外逐漸成為熱點研究問題,有一定的研究成果應(yīng)用到產(chǎn)品中,但是發(fā)表在期刊上的文獻(xiàn)不多;國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究幾乎一片空白,工業(yè)上使用的微通道反應(yīng)器數(shù)量很少且依賴于進(jìn)口。國外學(xué)者Commenge等建立了一種近似于壓降模型來分析通道之間的流速分布,發(fā)現(xiàn)帶有線性分布的等寬微通道陣列內(nèi)難以實現(xiàn)速度的均勻分析,Amador等采用電阻網(wǎng)絡(luò)模型來研究兩種不同結(jié)構(gòu)模型的均流腔和微通道內(nèi)流體狀態(tài)分布差異,Tonomura等通過CFD模擬研究了矩形均流腔對板翹式微設(shè)備內(nèi)微通道流量分
7、布送我影響。四、本課題的研究內(nèi)容及方法對制氫用的層疊式微通道反應(yīng)器的流場進(jìn)行分析,研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)與其性能的關(guān)系,將得到的結(jié)論指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。國內(nèi)外學(xué)者對為痛苦反應(yīng)器流場分析的研究方法一般有兩種,其一是以實物實驗為主,其二是以數(shù)值模擬為主。對于實物實驗的方法,其可以直接得到數(shù)據(jù),且準(zhǔn)確,可信度高,但是成本高,且試驗周期很長,在結(jié)構(gòu)加工上有很多不確定因素;對于數(shù)值模擬的方法,試驗周期短,成本低,還能夠避免因加工精度不足造成的影響有利于理論分析,但是數(shù)據(jù)不易獲得,并且在軟件中網(wǎng)格的劃分和邊界條