通道结构对生物柴油反应效率的影响规律研究.pdf
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1、路朝阳张辰.通道结构对生物柴油反应效率的影响规律研究.河南化工():.通道结构对生物柴油反应效率的影响规律研究路朝阳 张 辰(河南省化工研究所有限责任公司 河南 郑州)摘 要:设计了具有不同几何结构的通道研究了通道结构对传质的影响 发现周向扰动可以促进通道内产生混沌对流具有明显的强化传质作用 采用 打印技术制备具有优选结构的微反应器以大豆油和甲醇为原料制备生物柴油 结果表明优化结构可以大幅度提升反应速率关键词:微通道 生物柴油 混合器 反应速率 打印中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:生物柴油是以大豆、工程藻类和动物等油脂为原料通过酯交换、加氢等工艺处理后得到的产物其具有和柴油类
2、似的理化性能和燃烧特性表现出可循环再生、无 污染等优势对缓解我国能源与环保困境实现“双碳”目标具有重要的意义酯交换法无高压高温操作得到的生物柴油具有启动性好、润滑性优、闪点高等优点但是也具有反应时间长、能耗高等不足 研究人员改进了生产工艺优化了催化剂成分使得反应时间有所缩短能耗下降产率有所上升 也有课题组利用微反应器技术实现了高效制备生物柴油但是并未对通道结构的影响规律进行深入研究 理想的通道结构可以实现反应物质的快速传递流动阻力损失的减小使反应腔体内温度的均匀分布在微反应器、结构化催化剂、电池等器件的设计与应用方面具有重要的作用本文设计了不同的通道结构分析了通道形状对其内液液两相反应物的传质
3、特性发现周向扰动结构的混合效率更高对通道内的组分具有高效强化传质的作用 采用 打印技术将该结构加工成型作为微通道反应器进行酯交换反应 结果表明微反应器的反应时间大幅度减少 本研究既为高效制备生物柴油提供了技术路线也为微反应器产业化应用提供了范例 实验部分.通道结构的设计设计如图 所示的结构该结构以直径为 长度为 的圆柱形通道(图)为基础在其径向添加 个直径为.的半圆状扰流槽得到图 所示结构在轴线上间隔 布置圆锥形隔板得到图 所示的对称结构在圆柱表面间隔 布置隔板得到不对称结构图 在周线设置直径为.的半圆状绕流线得到图 收稿日期:作者简介:路朝阳()男工程师从事精细化工过程强化工作电话:通信作者
4、:张辰()男工程师从事化工环境影响评价及化工环保方面工作电话:第 期 路朝阳等:通道结构对生物柴油反应效率的影响规律研究所示结构 通过结构设计在通道内形成轴向、径向和周向的扰动.圆柱结构.轴向沟槽结构.径向对称扰动结构.径向不对称扰动结构.周向沟槽结构图 不同的设计结构.模型的建立及计算依据.控制方程为了分析通道内的流动与从传质规律做出如下假设:流体的黏度和密度不随浓度的变化而改变通道的壁面是光滑的忽略重力和通道壁面张力的影响甲醇和大豆油在通道内的流动遵循不可压缩流体连续性方程(式)和 方程(式)通道内两种流体的传质属于对流扩散传质(式)用无量纲数雷诺数()分析通道内流体的流动规律(式)()(
5、)()()其中:代表液体的密度 和 分别是速度向量和平均速度 是流体压力 是流体动力黏度是扩散物质的浓度 是扩散系数是水力直径采用式 计算截面的混合效率 ()其中:是混合效率()是样品点的个数是取样点位置的浓度 是浓度的数学期望.边界条件利用 .软件进行计算根据所做假设选择层流流动和稀物质传递模块几何模型如图 所示选用稳态条件、无滑移边界条件进行模拟出口压力设置为 两个入口的浓度分别设置为 和 /扩散系数为 /按照操作条件设计进口速度为./(.)物理场控制划分网格网格数为 网格无关性已验证.生物柴油实验.实验药品及仪器主要试剂:甲醇()、()和大豆油()大豆油的酸值为./皂化值./打印树脂选用
6、美国 公司生产的 系列 主要仪器:打印机(美国)、注射泵(保定兰格)和注射器(治宇).微反应器和生物柴油的制备将 溶解于甲醇形成一定浓度的甲醇钾溶液分别将甲醇钾溶液和大豆油吸入注射器内备用采用 打印技术制备通道为圆柱、径向不对称扰动结构和周向沟槽结构的微反应器通道的长度为 微混合器的两个进口与注射器相连接并通过注射泵向反应器内注入甲醇钾溶液和大豆油微混合器放入烧杯中水浴加热保持温度为 具体反应条件见表 表 生物柴油的反应条件甲醇 油(分子比)反应温度/催化剂比例(质量分数)/(油)滞留时间/.产物分析用气相色谱法分析生物柴油组成 采用 气相色谱仪 检测器 色谱工作站冷柱头进样 色谱柱 结果与讨
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