微通道非均相反應器數量放大效應與操作穩定性的研究

《微通道非均相反應器數量放大效應與操作穩定性的研究》是依託天津大學，由辛峰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微通道非均相反應器數量放大效應與操作穩定性的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：辛峰
• 依託單位：天津大學

項目摘要

化工過程的集成與強化是當今學術和企業界的關注點。微反應器以其高度集成及強化傳遞和反應的優勢，成為反應工程未來的發展方向。但微反應器數量放大的基礎研究尚待完善，急需解決制約其在非均相體系推廣套用面臨的非均勻性等問題。本課題以平行微通道內氣-液和液-液兩相流分布的均勻性和穩定性為研究目標，以兩類微通道結構為研究對象，藉助非接觸式光測量和接觸式微電極檢測的實驗方法，記錄每個微通道內流體的流型和分散狀態，以及混合和反應的數據，研究平行微通道中流型和相分散尺寸與反應器結構和操作條件的關係。採用隨機微分方程和微流控的理論，建立描述平行微通道反應器非均勻分布統計規律的數學模型，量化微通道非均相反應器的數量放大效應，及對典型反應的影響規律。旨在通過新的實驗和模型化方法，深入研究微通道反應器的數量放大過程，解決放大效應和操作穩定性的關鍵科學問題。其成果將豐富反應工程領域中微反應器的模型化設計理論和研究方法。

結題摘要

微通道反應器是實現反應過程集成與強化的重要手段，但其數量放大的效果並未達到預期的理想程度。因此，需要實驗觀測數量放大時發生的現象，建立描述數量放大過程的數學模型，完善量化的評價標準，用以確定微通道反應器的放大效應。 本項目針對微通道中的氣液和液液兩相流動與化學反應，在冷模和熱模實驗以及建模和數值模擬四個方面開展了實驗和理論研究工作。首先，搭建了針對平行微通道的光檢測系統，採集得到分散相和連續相的相關信息。隨後，從分布形式最簡單的梳狀並行毛細管微通道入手，採用體積衡算和壓降計算的方法，建立起描述此類微通道數量放大的數學模型，在準確描述了氣液兩相流的分布和穩定性規律的同時，揭示了兩種流型並存的內在因素。對分布形式最為複雜的岔形分布器構造的平行微通道，用分形維數量化通道的並行方式，用隨機微分方程描述觀測到的氣液兩相的隨機分布。通過計算最大Lyapunov指數證實了並行通道中氣泡的混沌行為。同時，採用偏差係數和Kolmogorov熵值評價氣液和液液兩相流分布的均勻性及穩定性。通過質量衡算、動量衡算和量化通道間壓力擾動，構建了多通道中兩相流分布的預測模型，用以指導平行微通道中兩相流的穩定操作。在上述物理實驗的基礎上，自製了以整體式堇青石為載體，鈦矽分子篩塗層為催化劑的平行微通道反應器，達到了利用微通道強化無有機溶劑的環己酮胺肟化反應，延長催化劑使用壽命的預期目標。對此建立的一維非均相模型，結合邊界層的速度分布，模擬出反應和傳質過程速率控制步驟。最後，運用計算流體力學和量子化學的方法，從更加微觀的角度揭示了並聯微通道入口分布器內流體的分散過程，發現了鈦矽分子篩上新的活性位點和反應路徑。 在基金項目的資助下，我們建立起了新的實驗和模型化描述微通道反應器數量放大的方法，並做了較為深入的研究，發現並初步解決了並聯微通道反應器數量放大效應和操作穩定性的關鍵科學問題。所獲成果將豐富反應工程領域中微反應器的模型化設計理論和研究方法。