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摘要
微反应管是一种具有管状的微型反应器,在传质、传热等方面显示出了巨大的优势。由于普通微反应器中流体在微观尺度上多为层流流动,不利于反应物的扩散,了解微通道几何形状对流体流动的影响,对于改善反应物的扩散和提高混合效率具有重要意义。将金属增材制造工艺约束与计算流体动力学（CFD）技术相结合,设计并实现了一种微反应管内部优化结构,这为微反应器模型的设计提供了依据。通过CFD模拟研究了不同微通道结构对流体流动和混合效率的影响。结合CFD模拟结果经过数据处理获得相应微反应管的混合指数（M）,以反映其混合效率,由此表明内部微结构对混合效率有显著的影响。同时还应用相同的仿真参数设置,对比本次设计的微反应管结构和普通通孔结构在影响流体流动和组分混合等方面的差别,总结出增材制造微反应管结构优化的经验,以CFD仿真结果为基础,探讨了提高微结构混合效率的机理,得出了三条设计原则:（1）微反应管的通道特征尺寸应尽可能地减小,以增强自由扩散主导的混合效果;（2）使微反应管通道中的流体处于湍流状态,以增强对流扩散主导的混合效果;（3）内部微结构倾斜角度大于等于45°。在激光选区熔化技术的基础上,选择了两种不同的材料,IN718合金以及316LSS合金粉末进行加工。并分别通过以通过升压测试为标准优选出能获得高质量管体的成型参数,并对成形件的质量进行了评价。又通过对两种材料静进行静态腐蚀测试的办法,即将测试对象分别放入3%盐酸溶液及99%三溴化磷溶液中放置24小时,对其耐蚀性进行了比较,选出了可用于工业应用的耐腐蚀材料,最后进行了化学实物实验,本次实物实验采用Villermaux-Dushman平行竞争反应体系,它以出口溶液中的I3-浓度作为探针评价微反应管性能,获得相应微混比（α）,以验证仿真模拟结果的准确性。最后结合CFD仿真结果进行了混合机理和未来改进方向的讨论。结果表明,微反应管的混合效率提高了56.6%,微反应管的最佳确定尺寸是0.2mm,且在强腐蚀条件下,IN718材料的耐腐蚀性和抗压性能符合工业要求。该研究可广泛应用于微反应器的设计和制造中,提高了微反应管的混合效果,也方便了工业生产中对各种化学反应条件的稳定控制,缩短了化工、医药领域新产品的研发周期。
- 出版日期2019
- 单位卡尔斯鲁厄理工学院; 华南理工大学
