توضیحات

شبیه سازی و بهینه سازی میکرو راکتور کاتالیستی در کامسول

 

میکرو راکتورها به عنوان سیستم های واکنش مینیاتوری هستند که مشخصات ابعاد ساختار داخلی آن ها مانند کانال های جریان سیال در رنج میکرومتر تا زیریک میلیمتر می باشد. میکرو راکتورها به علت نسبت بالای سطح به حجم و فواصل انتقال کوتاه، انتقال جرم و حرارت بالایی دارند. در سیستم هایی که با محدودیت در انتقال جرم و حرارت روبرو هستند، میکرو راکتور ها برای غلبه بر محدودیت های انتقال مناسب هستند.

مدل سازیCFD ابزاری نیرومند در جهت بررسی پدیده های انتقال و طراحی بهینه تجهیزات می باشد. باتوجه به هزینه های بالای ساخت تجهیزات آزمایشگاهی و آزمایشات تجربی استفاده از این مدل سازی صرفه جویی در هزینه و زمان خواهد بود. ساخت تجهیزات در مقیاس میکرو نیاز به ابزار و روش های خاص برای ساخت دارند و هزینه ساخت آن ها بسار بالاست. همچنین هزینه ابزار کنترلی مانند کنترل کننده های دما، فشار و جریان در مقیاس میکرو بالاست. با توجه به این شرایط در مواردی که نیاز به بررسی تاثیر شکل و یا شرایط عملیاتی بر روی عملکرد آن تجهیز باشد، هزینه تحقیق بسیار زیاد خواهد شد. در این شرایط استفاده از ابزار های مدلسازی نظیر مدل سازیCFD بسیار مفید و راهگشا خواهد بود.

میکروراکتور:

میکرو راکتورها به عنوان سیستم های واکنش مینیاتوری هستند که مشخصات ابعاد ساختار داخلی آن ها مانند کانال های جریان سیال در ابعاد میکرومتر تا زیر یک میلیمتر می باشد. تکنولوژی میکرو کانال زمینه امیدوارکننده از تحقیقات ارائه می دهد که مزایای متعددی نسبت به تجهیزات سنتی ابعاد بزرگ است.

برای شرایطی که انتقال جرم و حرارت برای کنترل مناسب دما، بهبود بازده و گزینش پذیری در واکنشهای گرماگیر و گرمازا ضروری است، میکرو راکتورها بسیار مفید هستند. میکرو راکتورها فواید متعددی دارند، نسبت بالا سطح به حجم در میکرو راکتور باعث افزایش انتقال حرارت و در نتیجه کنترل دقیق تر درجه حرارت میشود. کاهش طول نفوذ می تواند با غلبه بر سایر محدودیت های انتقال جرم محدود موجب افزایش نرخ واکنش شود. ترکیبی از افزایش نرخ واکنش، کاهش زمان اقامت محلی و کاهش اندازه مجموعه راکتور در کل موجب کوچک سازی ابعاد سیستم می شود. کاهش زمان اقامت در میکرو راکتور نیز می تواند در متوقف کردن واکنش های نامطلوب کندتر از قبیل تشکیل کک مورد استفاده قرار گیرد. برای واکنش در رژیم هایی که با محدودیت در انتقال جرم و حرارت روبرو هستند، میکرو راکتورها نسبت به انواع متداول راکتورها با عملکرد یکسان بسیار کوچک تر هستند.

یکی از مزایای میکرو راکتورها کاهش ابعاد خطی است. با کاهش ابعاد خطی، گرادیان مشخصات فیزیکی مانند دما، غلظت، دانسیته و یا فشار افزایش می یابد که باعث افزایش نیروی محرکه برای انتقال حرارت، انتقال جرم، فلاکس نفوذی به ازای حجم یا سطح می شود.

از دیگر مزایای میکرو راکتور ها افزایش نسبت سطح به حجم می باشد که درنتیجه کاهش ضخامت لایه سیال، نسبت سطح به حجم متناظر با سیال ورودی به صورت قابل توجهی افزایش می یابد. سطح ویژه میکروکانال ها حدود ۱۰۴ تا ۱۰۵ m²/m³ است در صورتی که در ابعاد آزمایشگاهی و ظروف معمولی به ترتیب از ۱۰۰ و ۱۰۰۰ mm تجاوز نمی کند. درنتیجه کاهش ابعاد خطی حجم میکرو راکتورها به صورت قابل توجهی در مقایسه با راکتورهای معمول تا حدود چند میکرولیتر کاهش می یابد. حجم کوچکتر و ماندگی کوچکتر، ایمنی فرآیند را افزایش می دهد و درنتیجه زمان اقامت کاهش یافته و گزینش پذیری را بهبود می دهد.

چالش هایی وجود دارد که ضروری است هنگام استفاده از میکرو راکتورها به آنها توجه کرد. برخی از این موضوعات شامل افزایش رسوب گیری، افزایش افت فشار در سیستم های با عملکرد بالا، آب بندی سخت تر سیستم های کوچکتر و چالش در سیستم های کنترلی و نظارتی است. بعلاوه نسبت بالای سطح به حجم باعث افزایش نرخ انتقال حرارت شده که مسائل زیادی در زمینه مدیریت حرارتی بوجود می آورد. برخی از این موضوعات مانند افت فشار، اتلاف حرارتی و آب بندی، می توانند با کمک انتخاب مناسب مواد و طراحی دقیق راکتور اثر این عوامل را کاهش داد. موضوعات دیگر مانند سیستم های کنترلی و نظارتی نیازمند راه کارهای دیگری است. محققان زیادی برای نشان دادن این چالش ها تلاش کرده اند، اما متاسفانه اغلب اوقات روشی برای غلبه بر این چالش ها ارائه نکرده اند.

دینامیک سیالات محاسباتی(CFD):

دینامیک سیالات محاسباتی یاCFD عبارت از تحلیل سیستم های شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده های همراه، نظیر واکنش های شیمیایی، براساس شبیه سازی کامپیوتری میباشد. CFD روش بسیار توانمندی است، بطوری که طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی را در بر می گیرد. برخی مثال ها عبارتند از:

• آئرودینامیک هواپیما و وسایل نقلیه
• هیدررودینامیک کشتی ها
• نیروگاه: احتراق در موتورهایIC و توربین های گازی
• توربوماشین: جریان های داخل گذرگاه های دوار، پخش کننده ها
• مهندسی برق و الکترونیکی: خنک کاری دستگاه هایی که دارای مدارهای ریز می باشند
• مهندسی فرایندهای شیمیایی: اختلاط و شکل گیری پلیمر
• مهندسی محیط زیست: توزيع آلودگی و جریان های گذرا
• مهندسی پزشکی: جریان خون عبوری از رگ ها
• هواشناسی: پیش بینی وضع هوا

 

برای تحلیل رفتار سیالات می توان مطالعات آزمایشگاهی و تجربی را بکار برد. از سال ها و قرن های گذشته دانشمندان زیادی از جمله اولر، ليبينيز، پرانتل، استوکسی، ناوير و… تلاش های فراوانی جهت مطالعه، بررسی و شناخت رفتار جریان های سیالات، در طول دوران های مختلف انجام دادند. این تلاش ها منجر به پیدایش مکانیک سیالاتFluids Mechanic گردید. به عبارت دیگر مکانیک سیالات شالوده نتایج و یافته های مطالعه شده می باشد که به صورت آزمایشگاهی و در اثر سعی و خطا و تکرارهای گسترده به دست آمده است. با استفاده از نتایج حاصل شده از آزمایش های مختلف و استفاده گسترده از معادلات دیفرانسیل و روابط ریاضی، معادلات حاکم تئوری کاربردی به دست آمدند. ضمنا بسیاری از دانشمندان به تعمیم و تحلیل معادلات مکانیک سیالات پرداختند.

پس بطور کلی برای تحلیل رفتار سیالات دو روش موجود می باشد:

1- روش آزمایشگاهی و تجربی

۲- روش تئوری (استفاده از معادلات حاکم)

شرایط مسئله مانند دو بعدییا سه بعدی بودن هندسه، شرایط مرزی، دو فازی بودن مسئله، بزرگی ابعاد هندسی مسئله و … باعث استفاده از روش های عددی جهت حل معادلات گردید. جواب های عددی به صورت المان محدود و یا تقریب مناسب به حل مسئله پرداخته و جواب های ایده آل و قابل قبولی را به ما می دهند.

توسعه و پیشرفت علوم کامپیوتر و استفاده گسترده از زبان های برنامه نویسی منشا پیدایش دینامیک سیالات محاسباتی، جهت حل عددی معادلات مکانیک سیالات در قرن حاضر گردید. به بیان دیگرCFDیا روش عددی،یک روش جدید، سریع و کاربردی در دنیای امروز است که به حل معادلات مکانیک سیالات می پردازد. کدهایCFD معادلات پیوستگی جرم، انرژی و اندازه حرکت را روییک دامنه که توسط کاربر مشخص می شود، حل می نمایند. روش CFD تکنیکی بسیار قوی بوده و محدوده ی بزرگی از کاربردهای صنعتی را در بر می گیرد. در زمینهی کاربردهای مهندسی شیمی می توان به پلیمریزاسیون، جریان های چند فازی، مدلسازی راکتورها، ته نشینی، جداسازی و اختلاط اشاره کرد.

تاریخچه و خصوصیات میکروکانال ها:

مطالعه آزمایشگاهی و تئوری جریان در لوله های کوچک از ابتدای قرن نوزدهم شکل گرفت، اما بررسی رفتار سیستماتیک دسته وسیعی از مسائل وابسته به سیال و انتقال حرارت در میکروکانال ها از اواسط قرن بیستم آغاز شده است. میکرو کانال ها دارای پتانسیل برای اتلاف کمتر انرژی ، تسهیلات بیشتر، بازده آزمایشگاهی بالاتر و ایمنی بهتر در مقایسه با سیستم های واکنشی سنتی یا متداول هستند. درواقع بازده بهتر و مصرف انرژی کمتر دو مزیت مشترک برای استفاده از میکروکانال ها در تمامی کاربردها است. حجم های واکنشی کوچکی که در میکرو سیستم ها وجود دارد و همچنین بدلیل زیاد بودن نسبت مساحت به حجم در میکرو کانال ها سرعت انتقال جرم و حرارت نسبت به راکتورهای مرسوم خیلی بهتر و بیشتر است، به همین دلیل واکنش ها با شدت بیشتر تحت این شرایط انجام می شوند و انتخاب پذیری و بازده بالا خواهد بود.

تکنولوژی میکرو راکتورها در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور ایالت کالیفرنیا در آمریکا با استفاده از میکروماشینها در مقیاس کوچک مطرح گردید. البته میکرو راکتورهای جریان گازی دارای تاریخچه طولانی هستند. اما آنهایی که دارای جریان مایع هستند در حدود سال ۱۹۹۰ پدیدار شدند. میکرو راکتورها همانگونه که قبلا اشاره شد بدلیل وزن کم و کوچکی قابلیت حمل خوبی دارند و با اینکه اساسا پیوسته محسوب می شوند اما برای کاربردهایی که محتاج تحلیلند به صورت ناپیوسته نیز ساخته می شوند. برای مثال یکی از این دسته میکروراکتورها، به منظور آنالیز کردن DNA در دانشگاه میشیگان ساخته شد. این راکتور متشکل از تراشه های سیلیکونی و شیشه ایی است.

کاربرد میکروکانال ها:

در میکروکانال ها به دلیل کاهش اندازه کانال، نسبت سطح به حجم بسیار زیاد است که همین امر موجب بهبود کارایی به ویژه میزان انتقال حرارت و جرم می شود. علاوه بر این هرچه مقیاس دستگاه کوچک تر شود، کنترل دما بهتر شده و اتلاف حرارت از این دستگاه ها کاهش پیدا می کند. این کانال ها همچنین دارای پتانسیلی برای اتلاف کمتر انرژی، بازده آزمایشگاهی بالاتر و ایمنی بهتر در مقایسه با سیستم های واکنشی سنتی با متداول هستند. در واقع بازده بهتر و مصرف انرژی کمتر دو مزیت مشترک برای میکرو کانال ها در تمام کاربردهاست. این میکرو کانال ها در زمینه های مختلفی از جمله واکنش شیمیایی، انتقال حرارت، اختلاط و حتی پزشکی هم کاربرد دارند.

نخستین کاربردهای آنها در دستگاه های میکرو مقیاسی مانند میکرو پمپ ها، شیرهای میکرونی و میکروحسگرها نمایان شد. سپس در علوم بیولوژیکی و زیستی برای آنالیز مواد بیولوژیکی مانند پروتئین،DNA سلول ها و شناساگرهای شیمیایی مورد استفاده قرار گرفتند. پس از آن مخلوط کننده های میکرونی مورد استفاده در میکرو راکتورهای توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرد؛ اما دفع حرارتی زیاد از میکروپردازنده های با سرعت بالا مشوق بسیاری از پژوهشگران برای بررسی انتقال حرارت در میکرو کانال ها گردید. گسترش تجهیزات و دستگاه های میکرو الکترومکانیکی نیازمند راهها و دستگاه هایی برای دفع حرارت بوده که این تجهیزات نیز طبیعتا باید در مقیاس های کوچک باشند. به طور مثال، خنک سازی آینه های به کار رفته در لیزرهای با توان بالا، نیازمندیک سیستم خنک سازی است که فضای کمی را اشغال کند. گسترش علوم مهندسی زیستی و داروسازی و مهندسی ژنتیک نیازمند کنترل دقیق انتقال سیال و کنترل حرارتی آن هنگام عبور از مسیرهایی با ابعاد میکرونی است؛ بنابراین فهم دقیق و درک درستی از انتقال حرارت و جرم در میکرو کانال ها یک امر مهم در طراحی و عملکرد آنهاست.

به کار بردن تجهیزات با مقیاس کوچک، منجر به افزایش بازده انتقال حرارت و جرم می شود؛ اما از طرفی افت فشار این دستگاه ها بیشتر بوده و توان پمپ بیشتری نیاز دارند. همچنین انتقال حرارت و جرم بالای این تجهیزات، نیازمند روش های ساخت پیشرفته و تجهیزات ساخت پیچیده ای است؛ بنابراین یک توازن بهينه بین جنبه های مختلف به کار گیری این میکرو کانال ها منجر به استفاده از کانال هایی با ابعاد متفاوت می شود. به عنوان مثال، در صنعت سردسازی لوله های پره دار با قطر ۶ إلى 8 میلی متر جایگزین لوله های معمولی شدند.

میکرو راکتورهای از جنس فولاد ضد زنگی کاربردهای مناسبی برای تولید محصولات شیمیایی دارند. در حالی که میکرو کانال های شیشه ای برای کاربردهای آزمایشگاهی جذابند. از فواید بالقوه دیگر استفاده از یک میکرو راکتور نسبت به یک راکتور متداول می توان به کنترل بهتر شرایط واکنش و قابلیت حمل و نقل آن اشاره کرد. کنترل بهتر شرایط واکنش به توانایی در کنترل دقیق دمای راکتور باز می گردد و قابلیت حمل و نقل هم که واضح است چون میکرو راکتورها می توانند حتی در جیب هم جا شوند.

در فرآیند صنعتی مفهوم میکرو تکنولوژی به عملکرد ابزارهای کوچکی بر می گردد که عناصر واحد عملیاتی و واکنش را برای صرفه جویی در انرژی و فضا یکپارچه می کنند. میکروکانال ها و دستگاه های میکرو سیالی در دسته میکروتکنولوژی ها قرار دارند. دستگاه های میکرو سیالی به دستگاه هایی اطلاق می شود که حداقل یکی از ابعاد آن دارای مقیاس میکرومتر (کانالی با قطر هیدرولیکی زیر یک میلی متر) می باشد.

این دستگاه ها پر از ساختمان های مداری شکل می باشند که به عنوان تراشه های میکرو سیالی نامیده می شوند. سیستم های میکروسیالی کاربردهای بسیاری دارند. برای این سیستم ها مقدار اندکی از مواد مورد نیاز است که علاوه بر اینکه باعث کاهش هزینه می شود، ایمنی بیشتری را در سیستم ها (به دلیل مواد عبوری کمتر و کنترل بهتر) ایجاد می کند. رژیم با رینولدز پایین که در این نوع سیستم ها عمل می کند، توانایی های جدید و علم شیمی دقیق تری را به خاطر مقیاس طولی نسبی خیلی کوچکتر برای مخلوط کردن و نرخ بالای انتقال حرارت فراهم می کند و احتمال پاسخ شیمیایی سیستم های فرآیندی به مقدار قابل توجهی در آنها بالاتر است.

نسبت کمتر و کم خطر بودن (به دلیل کنترل بهتر فرآیند)، سهولت در اتوماتیک سازی و توانایی شبیه سازی آنها از دیگر مزایای این دستگاه ها می باشد. علاوه بر این هر چه مقیاس دستگاه کوچکتر شود، کنترل دما بهتر شده و اتلاف حرارت از این دستگاه ها کاهش پیدا می کند. مقطع عبوری کوچک، نسبت سطح به حجم بزرگی را فراهم می کند که قادر است حرارت و جرم بیشتری را منتقل کند.

تاریخچه و خصوصیات میکروکانال ها:

کانال ها بر حسب اندازه و یا به عبارت بهتر قطر هیدرولیکی شان به چند دسته تقسیم می شوند که از بین این دسته ها میکرو کانال ها به دلیل شرایط بهینه تر و مناسب تر کاربرد بیشتری دارند.

دسته بندی کلی کانال ها را می توان در جدول زیر مشاهده نمود:

جدول دسته بندی کلی کانال ها.

مطالعه آزمایشگاهی و تئوری جریان در لوله های کوچک از ابتدای قرن نوزدهم شکل گرفت، اما بررسی رفتار سیستماتیک دسته وسیعی از مسائل وابسته به سیال و انتقال حرارت در میکرو کانال ها از اواسط قرن بیستم آغاز شده است. برای اولین بار (ترکمن و پیس۱۹۸۱) از کوچک کردن ابعاد جهت دفع حرارت استفاده کردند. مطالعه آنها با نام عملکرد بالای سینک حرارتی برایVLSL به عنوان اولین مطالعه بر روی میکرو کانال ها در زمینه انتقال حرارت شناخته شد و این موضوع توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرد. میکرو کانال ها دارای پتانسیلی برای اتلاف کمتر انرژی، تسهیلات بیشتر، بازده آزمایشگاهی بالاتر و ایمنی بهتر در مقایسه با سیستم های واکنش سنتییا متداول هستند.

در واقع بازده بهتر و مصرف انرژی کمتر دو مزیت مشترک برای میکروکانال ها در تمامی کاربردها می باشد. حجم های واکنشی کوچکی که در میکروسیستم ها وجود دارد و همچنین به دلیل زیاد بودن نسبت مساحت به حجم در میکرو کانال ها سرعت انتقال جرم و حرارت نسبت به راکتورهای مرسوم خیلی بهتر و بیشتر است، به همین دلیل واکنش ها با شدن بیشتر تحت این شرایط، انتخاب پذیری و بازده بالا انجام می شوند.

بالا بودن ایمنی این ابزار به دلیل حجم کوچک سیستم و سیال است، که این خصیصه بالاخص در مورد تبدیلات شیمیایی مانند واکنش هایی با واسطه های انفعالی قوی بسیار اهمیت مییابد. به عنوان مثال حتی اگر یک واکنش به شدت گرمازا نیز در راکتور انجام شود، کل حرارت تولید شده نمی تواند در حد قابل توجهی باشد. انتخاب طرح و ساخت میکرو کانال ها و جنس آن ها وابسته به کاربرد مد نظر است. میکروکانال ها از مواد مختلفی ساخته می شوند، که از جمله این مواد می توان به فولاد ضد زنگ، شیشه، سیلیکون و پلیمرها اشاره کرد. از فواید بالقوه دیگر استفاده از یک میکرو کانال نسبت به یک کانال متداول می توان به کنترل بهتر شرایط واکنش و قابلیت حمل و نقل آن اشاره کرد.

در شکل زیر نمونه ای از یک میکروکانال سیلیکونی نشان داده شده است.

شکل نمایی از یک میکروکانال سیلیکونی.

 

ماده سازنده میکروکانال:

باتوجه به الهام گرفتن میکروسیال از میكروالکترونیک، اولین مواد مورد استفاده برای ساخت این تراشه ها سیلیکون، آهن ضد زنگ و شیشه بودند. میکروکانالهای از جنس فولاد ضد زنگ کاربردهای مناسبی برای تولید محصولات شیمیایی دارند، در حالی که میکرو کانال های شیشه ای برای کاربرد آزمایشگاهی مناسب تر میباشند. با وجود مزایای این مواد از جمله پایداری شیمیایی، عوامل دیگری از جمله گران بودن و غیر شفاف بودن سبب شد مواد جدیدی برای ساخت تراشه ها استفاده شود. در حال حاضر، PDMS و دیگر پلیمرهای بر پایه سیلوگزان به صورت گسترده ای در ساخت تراشه های میکرو سیالی به کار می روند. این ماده علاوه بر مزایای فراوانی که برای کاربرد در مصارف زیستی دارا می باشد، شفافیت آن نیز امکان بررسی به وسیله میکروسکوپ نوری و فرابنفش را فراهم می آورد. همچنین این ماده در برابر گازهایی همانند N2، CO2 و O2 نیز نیز نفوذ پذیر است، که این خصوصیت برای بررسی سلول های پستانداران در این سیستم ها کاملا ضروری می باشد. خواص سطحی این ماده را می توان براساس نوع کاربرد تراشه تغییر دارد.

 

شکل زیر میکروکانال های ساخته شده با جنس های مختلف را نشان می دهد.

شکل نمایی از میکرو کانال های ساخته شده با جنس های مختلف.

 

تأثیرات ناشی از کوچک سازی:

مقیاس ماکرو در دو سده گذشته به دفعات مورد مطالعه قرار گرفته است و نتایج و تئوری های آن نیز آنالیز شده اند و روابط تدوین شده آنها تطبيق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارند. برای مثال زمانی که جریان آرام است عدد ناسلت عددی ثابت است که مقدار آن تنها وابسته به شکل سطح مقطع و شرایط مرزی می باشد. آنالیز نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که در یک لوله بلند (که اثر ورودی در آن قابل صرف نظر است) مقدار متوسط عدد ناسلت محاسبه شده با اختلاف دمای میانگین (بصورت هندسی) بین دیواره و سیال به سوی مقادیر گزارش شده میل می کند. نتایج با توجه به فرض های زیر به دست آمده است:

١. جریان پایا و توسعه یافته

۲. خواص فیزیکی سیال با دما تغییر نمی کند.

٣. سیال به عنوان یک سیال پیوسته فرض می شود.

۴. سیال غير قابل تراکم

۵. شرایط مرزی ساده ( دمای ثابت و یا فلاکس حرارتی ثابت دیواره)

۶. حرارت ناشی از کار نیروی ویسکوز نادیده انگاشته می شود.

۷. اثر زبری سطح در جریان آرام ناچیز فرض می شود.

در میکروکانال ها بسته به آنکه جریان مایع باشد و یا گاز، ممکن است چند فرضیه از فرضیات بالا در نظرگرفته نشود که از آنها به عنوان اثرات کوچک شدن مقیاسیاد می شود. قابلیت فشرده شدن سیال و قابلیت انتقال نرخ بالایی از حرارت(جریان در میکروکانالها ممکن است وابسته به تغییرات دمایی بالا و منطقه ورودی باشد) می تواند کسر مهمی از کل طول کانال را پوشش دهد. بنابر این فرضیات۱و ۲ که درباره اثر ورودی و تأثیر دما بر روی خواص فیزیکی سیال است، غیر معتبر خواهند بود. برای جریان های گازی، گزینه های۳ و ۴ قابل بررسی هستند. مسیر آزاد مولکولی سیال ممکن است با توجه به قطر هیدرولیک کانال( با اندازه ای حدود چند میکرومتر)، پر اهمیت باشد که باعث می شود اثرات رقیق شدن ماده مهم شوند. در چنین شرایطی، جریان لغزشی و پرش دمایی در دیواره برای سیال محاسبه می شود و با افزایش رقت حتى ممکن است مدل سازی به عنوان یک سیال پیوسته میسر نباشد و در این شرایط از مدل های میکروسکوپی و یا مزوسکوپی استفاده می شوند. در حالتی که مدل های پیوسته استفاده می شوند، سیال بسیار رقیق شده است، یعنی نمی توان آن را به شکل یک سیال پیوسته بررسی نمود.

از سوی دیگر افت فشار در میکرو کانال ها می تواند خیلی بزرگ شود و فشرده شدن سیال نقش مهمی را در انتقال حرارت ایفا کند (اثرات فشردگی) و فرض ۴ نیز باطل شود. روابط توسعه یافته برای ارزیابی عدد ناسلت در جریان داخل کانال، برای شرایط مرزی دما ثابت، نرخ حرارتی ثابت در دیواره میکرو کانال به دست آمده اند. با اینکه مقدار هدایت در دیواره جامد و در داخل سیال برای کانال های بزرگ نادیده گرفته می شود، اما لحاظ کردن آن می تواند الگوی انتقال حرارت در مرزها را اصلاح کند؛ بنابر این ترکیب اثرهای مربوط به انتقال حرارت باید محاسبه شوند. ضمن اینکه، با کاهش مقیاس طولی و افزایش نسبت سطح به حجم، تمام پدیده هایی که در محل فعل و انفعالات بین دیواره جامد و جریان محدود شده اند اهمیت مییابند. بنابر این اثر گرمایش لزجت و اثر زبری سطح روی انتقال حرارت باید در نظر گرفته شود (غیر معتبر شدن فرض های۵ و ۶). علاوه بر آن برای جریان های مایعی که از محلول های آبی به وجود آمده اند، اثرات دو لایه الکتریکی که ناشی از فعل و انفعالات میان بار های الكترو استاتیک بر روی سطوح جامد و یون های موجود در محلول است، ممکن است انتقال حرارت را تحت تأثیر قرار دهند که باید در نظر گرفته شوند. در نهایت باید به این نکته دقت داشت که عدد ناسلت به خصوص در جریان های توسعه یافته وابسته به هندسه سطح مقطع می باشد. تأثیر ورودی کانال و لغزش از جمله موارد مهمی است که باید مورد بررسی قرار گیرد.

اثر ورودی:

تئوری کلاسیک دینامیک سیال سه طول ورودی را در نظر می گیرد:

• طول ورودی هیدرودینامیکی که بعد از پروفایل سرعت توسعه یافته است.
• طول ورودی حرارتی که بعد از آن پروفایل دما توسعه یافته است.
• طول ورودی غلظت که پس از آن پروفایل غلظت توسعه یافته است.

زمانی که طول توسعه یافته برای دما و جریان سیال به نسبت طول کانال مقدار قابل توجهی باشد اثرات ورود سیال به سیستم قابل صرف نظر کردن نیست.

برای مثال در جریان آرام مقدار عدد ناسلت در یک کانال فقط برای جریان توسعه یافته پروفایل های سرعت و دما هر دو ثابت هستند) ثابت است و در محدوده ورودی که پروفایل های سرعت و دما در حال توسعه هستند، عدد ناسلت در حال تغییر است.

جریان لغزشی:

صرف نظر از خاصیت خیس شوندگی سطح، جذب و اثرات الكتروسیتیکی، پدیده لغزش نقش مهمی را در مدل سازی جریان مایع درون میکرو کانال ها ایفا می کند. در حالت کلی در حل معادلات بدست آمده از موازنه های سرعت و انرژی، معمولا سرعت روی سطوح جامد، صفر و دما برابر با دمای جامد فرض می شود. این فرض در حل معادلات به عنوان شرط مرزی در مسئله قرار داده می شود. اما استفاده از این شرایط همیشه درست نیست. هلمز هولزاو وان پیرتروسکی مشاهداتی در باره لغزش بین مایع و سطح جامد داشتند که بعدها بردمن نتایج آنها را تأیید کرد.

جریان سیال در میکروکانال ها:

عملکرد دستگاه های با مقیاس میکرومتر به شدت تحت تاثیر جریان سیال عبور کننده از آن است؛ بنابراین برای بهتر فهمیدن پدیده های صورت گرفته در داخل میکروکانال و یافتن طراحی بهینه ای از دستگاه ها، لازم است که خصوصیات مربوط به جریان را بررسی شود. این خصوصیات شامل افت فشار در کانال و نوع رژیم جریان (آرام آشفته و حالت گذار) می باشند. تخمین دقیق خصوصیات سیال نیازمند استفاده از دستگاه های خیلی دقیق و حساسی میباشد. با وجود آنکه مطالعات بسیاری درباره جریان سیال در میکرو کانال ها صورت گرفته است تا حالت گذار را در این کانال ها نشان دهد، اما تفاوت بسیاری که در نتایج مقالات مختلف با تئوری های قراردادی وجود دارد که موجب ایجاد بحث های بسیاری می شود. محققان با استفاده از میکروکانال هایی با اندازه و هندسه های متفاوت (دایره ای، مستطیلی، مثلثی، ذوزنقه ای و هشت گوش) و با استفاده از جریانهای تک فازی گاز و مایع در میکرو کانال ها به بررسی نتایج به دست آمده در باره فشار کانال و همچنین حالت گذرای جریان آرام به آشفته پرداخته اند.

در سیالات جریان های تراکم پذیر و غیر تراکم پذیر موجود در میکرو کانال ها برای گازهای هوا، نیتروژن، هلیم، آرگون و… گزارش شده اند؛ در صورتی که در مورد مایعات، آب، ایزومرهای الکل، روغن سبزی، روغن سیلیکون،R3140 و غیره مورد برررسی قرار گرفته اند. ضریب اصطکاک های به دست آمده از آزمایش با تئوری ها مسئله بررسی شده اند که در این نتایج نشان داده است که هیچ سنخیتی بین جواب های حاصل در شرایط مشابه (قطر های برابر و سیالات یکسان) در مطالعات مختلف وجود نداشته است. لازم به ذکر است که این اختلاف در یافتن حالت گذرا حتی در کانال هایی که مقدار زبری آنها از یک درصد هم کمتر است، دیده می شود.

با توجه به وجود نسبت سطح به حجم بالایی که در میکرو کانال ها وجود دارد، دینامیک سیال در این مقیاس به شدت، تحت تأثیر عواملی چون فعل و انفعالات سطح با سیال در شرایط مرزی جریان سیال می باشد.

خواص لغزشی گزارش شده در مطالعات و در شبیه سازی دینامیک مولکولی به خواص ترمودینامیکی، زاویه تماس و هندسه سطح بستگی دارد. علاوه بر این خصوصیات، زبری موجود در دیواره کانال ها نیز تأثیر بسیاری بر جریان سیال و پدیده های انتقال به خصوص روی حالت گذار از جریان آرام به آشفته دارد.

 

زمینه های کاربردی میکرو کانال ها:

هر دسته از میکرو کانال ها با توجه به کاربردشان مزیت خاص خود را دارند. کمترین خصیصه ناشی از کوچک کردن دستگاه ها، دست یابی به نسبت سطح به حجم بالایی است که منتج به فواید فراوانی در راکتورها، میکسرها و دستگاه های انتقال حرارتی می شود که می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• افزایش نرخ انتقال (انتقال جرم و حرارت)
• افزایش ایمنی در کار کردن با مواد پرخطر و سمی (به دلیل حجم کمتر مواد استفاده شده، در صورت بروز حادثه شدت آن بسیار کمتر از رخ دادن آن در مقیاس مادر و خواهد بود).
• ساده سازی کنترل فرآیند برای دست یابی به مواد و واکنش های مؤثر به دلیل کوتاه بودن زمان پاسخ.
• امکان انجام واکنش با مواد شیمیایی حساس بر اساس تقاضا و یا در محل مورد نیاز مثل ,H2O2 و اتیلن اکسید
• نبود هیچ گونه محدودیتی در کاهش و افزایش اندازه اجزاء در کارخانه و امکان دست یابی به ظرفیت تولید مورد نظر با استفاده از موازی سازی عملیات.
• سهولت در شبیه سازی میکرو کانال در اشکال و سطح مقطع های مختلف
• کنترل بهتر دما و کاهش اتلاف حرارت
• کاهش مقدار مواد اولیه مورد نیاز جهت ساخت دستگاه
• انتخاب پذیری و بازده بالاتر
• افزایش ظرفیت تولید در مقیاس صنعتی
• قابل استفاده برای فضاهای کوچک

در آینده دستگاه های با مقیاس میکرو تأثیر بسیاری بر فرآیندهای صنعتی خواهند داشت؛ بنابراین فهمیدن و ارزیابی بهتر فرآیند در این نوع دستگاه های در دست یابی به طراحی مؤثر و کارآمد بسیار مهم خواهد بود. طراحی دقیق و مؤثر به شدت تحت تأثیر عواملی مانند رژیم جریان (آرام، آشفته و یا حالت گذار) و افت فشار درون سیستم است که این پارامترها در بسیاری از مطالعات بحث شده اند، بنابراین با استفاده از اطلاعات گزارش شده در مقالات مختلف می توان آنها را به خوبی بررسی کرد.

میکروکانال ها همانگونه که قبلا گفته شد در شاخه های زیادی کاربرد دارند اما با توجه به آنچه که در زمینه علوم مهندسی شیمی بسیار برجسته و نمایان است، میکروکانال ها دارای نسبت سطح به حجم بسیار بالایی هستند که استفاده از آنها در زمینه انتقال حرارت و انتقال جرم می تواند باعث بهبود عملکرد سیستم ها شود. در این زمینه می توان سه دسته پر کاربرد را شناسایی کرد

1- میکرو راکتورها

۲- میکرو میکسرها

۳- میکرو مبدل ها

 

میکرو راکتورها:

به میکر و کانالی که در آن واکنش شیمیایی رخ می دهد، اصطلاحا میکرو راکتور گفته می شود. پس راکتور میکرو شیمیایی با میکرو راکتور، یکی از چندین ابزار واحد فرآیندی مهندسی شیمی است که در مقیاس میکرو ساخته شده است. در گذشته میکرو راکتور اصولا به راکتورهای لوله ای کوچکی اطلاق می شد که در تحقیقات کاتالیستی مورد استفاده قرار می گرفتند. اما با پیشرفت های صورت گرفته در تکنولوژی، میکرو واکنش ها به سیستم هایی در ابعاد میکرو شامل کانال های یک یا چندتایی زیر میلی متر بر می گردد که در آن جریان سیال به طور پیوسته جریاندارد و واکنش های شیططمیایی در حال انجام می باشد.

تکنولوژی میکرو راکتورها در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور ایالت کالیفرنیا در آمریکا با استفاده از میکرو ماشینها در مقیاس کوچک مطرح گردید. البته میکروراکتورهای جریان گازی دارای تاریخچه طولانی هستند اما آنهایی که دارای جریان مایع هستند در حدود سال ۱۹۹۰ پدیدار شدند. میکرو راکتورها همانگونه که قبلاً اشاره شد به دلیل وزن کم و کوچکی، قابلیت حمل خوبی دارند و با اینکه اساساً پیوسته محسوب می شوند اما برای کاربردهایی که محتاج تحلیل می باشند، به صورت ناپیوسته نیز ساخته میشوند. در میکرو راکتورها واکنش های شیمیایی در بستری با ابعاد جانبی کوچکتر از یک میلیمتر انجام می گیرد. زمانی که باید دمای واکنش ثابت نگه داشته شود میکرو راکتور شبیه یک مبدل میکروکانالی عمل میکند. میکرو راکتورها فواید بیشتری را به نسبت راکتورهای در مقیاس ماکرو فراهم میکنند، که از جمله آنها می توان به بازده انرژی، سرعت و بازده واکنش، ایمنی، قابل اطمینان بودن، مقیاس پذیری و قابلیت کنترل بالاتر فرآیند نسبت به مقیاس ماکرو اشاره کرد.

باتوجه به انتقال حرارت بیشتر در میکرو راکتورها، برای انجام واکنش ها می توان از کاتالیست های فعال بیشتری استفاده کرد. استفاده از میکرو راکتورها این امکان را فراهم می آورد که شدت واکنش ها را حدود ۱۰ تا ۱۰۰۰ برابر نسبت به راکتورهای مرسوم افزایش دهند. کوچک کردن دستگاه ها باعث کاهش مقاومت در برابر انتقال حرارت و جرم می شود زیرا نسبت سطح به حجم در میکرو کانال ها بالا است.

برای مثال یکی از این دسته میکر و راکتورها، به منظور آنالیز کردن DNA در دانشگاه میشیگان ساخته شد. این راکتور متشکل از تراشه های سیلیکونی و شیشه ای است.

همچنین میکروراکتورها شرح بهتری از سنتیک ارائه می دهند، چون گرادیان دمای محلی که بر سرعت واکنش تأثیر دارد بسیار کوچک تر از هر راکتور ناپیوسته دیگری است و سبب بهتر شدن واکنش می شود. از لحاظ عملکرد میکرو راکتورها، تفاوتی میان مقیاس آزمایشگاهی و صنعتی وجود ندارد و به راحتی می توان واکنشگرها را در فشار اتمسفریک حفظ کرد. کم کردن محصولات نامطلوب جانبی و واکنش های برگشتی و بوجود آوردن درجه بهتری از کنترل فرآیند نیز از شاخصه های دیگر میکرو راکتورها است.

از دیگر ویژگی های میکرو راکتورهای شیمیایی میتوان به امکان استفاده از ویژگی زمان ماند کوتاه جهت افزایش ظرفیت تولید، سهولت تعویض راکتورهای مستعمل، يکنواختی دما در فضای راکتور، امکان انجام واکنش در دمای بالا و نیز به حداقل رساندن مقاومت های انتقال جرم و حرارت اشاره کرد.

در کنار تمام مزایای ذکر شده برای میکرو راکتورها، آنها مشکلاتی هم دارند، از جمله این مشکلات:

1- اگر چه این راکتورها برای عبور ذرات می باشند، اما ممکن است توسط آنها مسدود گردند و سبب پایین آمدن راندمان شوند.

۲- پمپ کردن با پمپ های مکانیکی ممکن است تولید جریان ضربانی کند که می تواند غیر مفید باشد.

۳- در سرعت های متغیر قادر به اختلاط و واکنش یکسان نیستند.

میکرو راکتورها خود بطور خاصی دارای کاربردهای متنوعی هستند که در زیر به برخی از آنها اشاره شده است:

• در جهت تولید هیدروژن از مکمل های سوختی
• سنتزهای شیمیایی
• واکنش های بیو
• واکنش هایی کاتالیستی که دیواره های کانال با کاتالیستی ناهمگن پوشیده شده باشد.
• میکرو راکتورها نوعا دارای ضریب تبادل گرمایی حداقل 1-500 مگاوات بر متر مکعب بر درجه کلوین هستند که در مقابل کیلو وات کمی که برخی ابزارهای دیگر دارند(بعضا حدود ۱۰ کیلووات بر متر مکعب بر درجه کلوین).

در شکل های زیر نمونه هایی از میکرو راکتور شیشه ای نشان داده شده است که برای انجام تحقیقات در زمینه آزمایشگاهی و نیز سنتز کاربرد دارند.

 

شکل میکرو راکتور شیشه ای با عرض و عمق 150 میکرومتر.

 

شکل میکروراکتور شیشه ای با ساختار درونی میکرو برای سنتز ترکیبات و توسعه فرآیندی.

 

میکرومیکسرها:

به دلیل کاربردهای وسیع میکرو میکسرها در همگن سازی، واکنش شیمیایی، پراکنده سازی و امولوسیون سازی، بازده اختلاط در این دستگاه ها برای دست یابی به عملکرد کلی فرایند بسیار مهم است. در اختلاط میکرو، مولکولها به جای گردابه ها نقش اصلی را در اختلاط ایفا میکنند. به عبارت دیگر نفوذ در مقیاس مولکولی انجام می گیرد.

ایجاد یک مخلوط یکنواخت در میکروکانال ها مشکل است، زیرا جریان آرام که در بیشتر جریان های میکرو اتفاق می افتد، باعث کندشدن روند اختلاط میگردد. مخلوط شدن مؤثر در این دستگاه ها اساساً به وسیله طراحی هوشمندانه هندسه کانال است، که برای افزایش مناطق تماس دو سیال با یکدیگر در نرخ های بالا به دست می آید. خصوصیت اصلی مکانیزم های مؤثر در اختلاط در میکروکانال ها برای بسیاری از مایعات در اعداد پکلت بالا و رینولدز پایین، ایجاد شکلهای منبسط کننده و تاکننده برای ایجاد آشفتگی میباشد. بسیاری از واکنش های شیمیایی هستند که دارای ضریب پخش پایین می باشند، بنابراین بدون آشفتگی، زمان واکنش ممکن است به شدت طولانی شود. خواص سیال مانند دانسیته، ویسکوزیته و ضریب پخش با تغییر در متغیرهایی مانند دما و کسر جرمی اجزاء تغییر می کند؛ از این رو این تغییرات باید وقتی در نظر گرفته شود که ارزیابی مخلوط دو سیال توسعه یابد.

میکرو میکسرها به دو دسته اصلی فعال و غیر فعال تقسیم میشوند. در میکرومیکسرهای فعال، اختلاط توسط یک عامل خارجی مانند میدان الکتریکی، مغناطیسی، نوسانات فشار امواج صوتی و غیره صورت میگیرد، درحالیکه در میکرو میکسرهای غیرفعال، اختلاط از تعامل جریان اصلی با هندسه کانال که به طور خاص طراحی شده است(مانند کانال های متقاطع، زیگزاگی، مانع دار)، بدون هیچ گونه انرژی خارجی صورت می گیرد.

میکرو مبدل ها:

مبدل حرارتی میکرو کانالی یک کاربرد علمی از کانال های با مقیاس میکرو است. دلیل توسعه این مبدل های حرارتی، وجود چگالی سطح بالای انتقال حرارت نسبت به واحد حجم است. در سال های اخیر مطالعه در زمینه انتقال حرارت در مقیاس میکرو به دلیل رشد سریع کاربردهای تکنیکی که به سرعت های بالای انتقال حرارت نیز شهرت دارند، با روند ثابتی افزایش یافته است. مقياس طولی میکرومبدل ها معمولا کمی بزرگتر از مسیر آزاد جریان مولکولی می باشند، بنابر این پارامترهای انتقال حرارت در مقیاس میکرو به خوبی به وسیله مدل های پیوسته تئورت قابل تخمین است. میکروکانال ها می توانند به عنوان مبدل هایی با مزیت هایی بیشتر نسبت به مبدل های مرسوم مورد استفاده قرار گیرند. از فواید عمده میکرو کانال های تحت کاربرد به عنوان میکرو مبدل می توان به موارد زیر اشاره کرد.

1) میکروکانالها در زمینه کنترل سیال و نیز انتقال حرارت بسیار مفیدند.

۲) فاکتورهای مفید میکر و مبدل ها شامل بازیابی حرارتی اتلافی، کنترل جوشش و چگالی، فلاکس گرمایی بالا و … است.

۳) همچنین اشغال فضای بسیار کم و نیز وزن سبک از عوامل مثبت دیگر است که در جابجایی آسان آنها میتواند موثر باشد.

شكل نمونه هایی از مبدل حرارتی میکروکانالی

 

معرفی میکرو راکتورها:

به طور معمول برای توسعه یک فرآیند شیمیایی در مقیاس تجاری به مراحل آزمایشگاهی و چند مرحله میانی و مرحله نهایی تجاری سازی نیاز است. برای افزایش حجم واکنش و به دنبال آن حجم ظروف واکنشی از مقیاس آزمایشگاهی به نیمه صنعتی و سپس صنعتی ، به منظور تولید محصولات مطلوب در تناژهای مورد نیاز، می بایست روندی را طی نمود که به آن ابعاد افزایی گوییم. این روند هزینه بر و زمانبر است. همچنین در زمان افزایش مقیاس مشکلات و مسائل مختلفی پیش می آید که باید حل گردد.

ایده میكروفرآیندها که در آن ها از میکرو راکتورها استفاده می شود بدین صورت است که بتوانیم طراحی و ساخت تجهیزات را در مقیاس آزمایشگاهی به گونه ای انجام دهیم که با موازی کردن تعداد زیادیاز این واحد آزمایشگاهی بتوانیم مقدار مورد نظر محصول تجاری را بدست آوریم این عمل را اصطلاحا تعداد افزایی گویند.

میکرو راکتورها راکتورهایی هستند که کانال های انجام واکنش آنها قطری در محدوده میلی متر و کمتر آن دارند. مساحت ويژه آنها در محدوده m²/m³ ۵۰۰۰۰ – ۱۰۰۰ است.

پتانسیل های موجود برای کاربرد میکرو راکتورها:

• سنتز گازهای سمی و خطرناک مانند: کلورین، ایزوسیانات، سیانید هیدروژن، فسژن
• تولید هیدروژن از طریق فرآیندهای ريفرمینگ
• سنتز اکسید اتیلن
• اکسیداسیون آمونیاک

میکروراکتور در ساخت بسته های ریفرمر پیل سوختی نیز کاربرد دارند. این بسته ها متشکل از دو جزء اصلی هستند:

۱- پردازنده سوخت(میکرو راکتور تبدیل کننده متانول به هیدروژن)

۲- پیل سوختی غشا تبادل پروتونی (که هیدروژن و اکسیژن هوا را در ورودی می پذیرد و الکتریسیته و بخار آب تولید می کند).

این بسته ها به عنوان جایگزینی برای روش های مرسوم تولید برق مانند باتری ها در حال توسعه می باشند. توسعه آنها به گونه ای است که بتوان آنها را در وسایلی مانند لپ تاپ و گوشی موبایل نیز بکار برد. این بسته ها مانند باتری های لیتیومیون نیاز به چرخه شارژ مجدد ندارند و همچنین دانسیته ذخیره انرژی در حجم یا وزن مشخصی از آنها، نسبت به باتری ها بیشتر است.

مزایای میکروراکتورها:

• نسبت سطح به حجم بالا
• بالا بودن نرخ انتقال حرارت و انتقال جرم
• جریان سیال در آنها آرام است.
• زمان اقامت اجزای واکنشی (واکنش دهنده ها – محصولات) در آن یکنواخت است
• اختلاط معکوس در آنها حداقل است.
• توان عملیاتی بالا دارند.
• از حداقل مواد اولیه در ساخت آنها استفاده می شود.
• هنگام کار کردن ایمنی بالاتری دارند.
• امکان تعداد افزایی بجای ابعاد افزایی دارند که باعث صرفه جویی زیاد در هزینه های طراحی فرآیند و تجاری سازی می شود.

 

در این پروژه، یک محلول در یک بستر کاتالیستی پمپ می شود که در آن واکنش دهنده در تماس با کاتالیست تحت واکنش شیمیایی قرار می گیرد. هدف آن است که نرخ واکنش کلی را برای یک اختلاف فشار کلی معین در اطراف بستر کاتالیستی به حداکثر برسانیم. این کار با یافتن توزیع بهینه کاتالیست حاصل می شود. توزیع کاتالیست متخلخل نرخ واکنش کلی در بستر را تعیین می کند. مقدار زیاد کاتالیست منجر به نرخ جریان پایین در بستر می شود درحالیکه کاتالیست کمتر نرخ جریان بالا و تبدیل پایین واکنش دهنده می دهد.

مدلسازی در نرم افزار کامسول انجام شده است.

هندسه مدل در شکل زیر نشان داده شده است. واکنش دهنده شامل یک کانال ورودی، یک بستر کاتالیستی ثابت، و یک کانال خروجی می باشد.

هندسه مدل

 

 

پارامترهای مسئله

 

 

مش بندی:

 

 

میدان سرعت در کانال بعد بهینه سازی:

 

 

 

 توزیع غلظت کاتالیست در راکتور بعد بهینه سازی

 

 

کانتور فشار در راکتور: