مبادئ ونطاق تطبيق Microchannel

القنوات الدقيقة، والمعروفة أيضًا باسم المبادلات الحرارية ذات القنوات الدقيقة، عبارة عن مبادلات حرارية بأقطار مكافئة للقناة تتراوح من 10 إلى 1000 ميكرومتر.تتميز هذه المبادلات الحرارية بالعشرات من قنوات التدفق الدقيقة داخل أنبوب مسطح، متصلة بمشعبات دائرية عند طرفي الأنبوب المسطح.يتم تثبيت الحواجز داخل المشعبات لفصل قنوات المبادل الحراري إلى عمليات متعددة.بالمقارنة مع إنتاج المواد الكيميائية التقليدية، تتمتع القنوات الدقيقة بإمكانات كبيرة للتطوير وآفاق تطبيق واسعة النطاق في الهندسة الكيميائية الدقيقة.لذلك دعونا نتعمق في القنوات الصغيرة من جوانب مختلفة معًا.

I. فهم مفاعلات القنوات الدقيقة

مقدمة لمفاعلات Microchannel

في الأساس، مفاعل القنوات الدقيقة هو نوع من المفاعلات الأنبوبية ذات التدفق المستمر.ويشمل الخلاطات والمبادلات الحرارية وأجهزة التحكم في المفاعلات ومتطلبات الوحدات الكيميائية الأخرى.في الوقت الحالي، يمكن تقسيم الهيكل العام لمفاعلات القنوات الدقيقة إلى نوعين: الأول هو هيكل متكامل، والذي يتجلى في شكل مبادلات حرارية ذات تدفق معاكس أو تيار معاكس، مما يتيح عمليات إنتاجية عالية في حجم الوحدة.في البنية المتكاملة، يمكن تنفيذ خطوة تشغيل واحدة فقط في وقت واحد، ويتم توصيل هذه الأجهزة المقابلة في النهاية لتشكل نظامًا معقدًا.النوع الآخر هو هيكل ذو طبقات، يتكون من مجموعة من الوحدات ذات وظائف مختلفة، حيث يتم تنفيذ عملية واحدة في طبقة واحدة وعملية أخرى في طبقة أخرى.يمكن التحكم في تدفق السوائل في وحدات الطبقات المختلفة بواسطة أجهزة تحويل ذكية لتحقيق إنتاجية أعلى.عادةً ما يتم تشغيل بعض مفاعلات أو أنظمة القنوات الصغيرة بالتوازي لزيادة الإنتاجية.

ثانيا.مبادئ مفاعلات Microchannel

تشير المفاعلات الدقيقة بشكل أساسي إلى مفاعلات صغيرة متعددة القنوات بأحجام قنوات في نطاق دون الميكرون وتحت المليمتر، ويتم تصنيعها باستخدام علوم السطح وتقنيات التصنيع الدقيق.حجم قناة المفاعلات الدقيقة يكون فقط عند مستويات دون الميكرون وتحت المليمتر.تتمتع المفاعلات الدقيقة بخصائص فائقة في نقل الحرارة والكتلة مقارنة بالمعدات الكيميائية التقليدية، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للتجارب ذات الإطلاق العالي للحرارة والتفاعلات السريعة.إن فهم مبادئ المفاعلات الدقيقة أمر يثير اهتمام الكثيرين.

ينشأ مفهوم التكنولوجيا الكيميائية الدقيقة من آليات نقل الحرارة التقليدية.بالنسبة للتدفق الصفحي داخل أنبوب دائري، عندما تكون درجة حرارة الجدار ثابتة، فإن معامل نقل الحرارة h يتناسب عكسيًا مع قطر الأنبوب d، كما يتضح من الصيغة (1).وبالمثل، بالنسبة للتدفق الصفحي داخل أنبوب دائري، عندما يظل تركيز المكون A عند جدار الأنبوب ثابتًا، فإن معامل نقل الكتلة kc يتناسب عكسيًا مع قطر الأنبوب (الصيغة (2)).نظرًا لأن التدفق داخل القنوات الدقيقة يتضمن في الغالب التدفق الصفحي، ويعتمد بشكل أساسي على الانتشار الجزيئي لتحقيق خلط السوائل، كما هو موضح في الصيغة (3)، فإن وقت الخلط t يتناسب مع مربع مقياس القناة.إن تقليل الحجم المميز للقناة لا يؤدي إلى زيادة كبيرة في مساحة السطح المحددة فحسب، بل يعزز أيضًا بشكل كبير خصائص النقل للعملية.

نو=HD/ك=3.66(1)

ش=كك/داب=3.66(2)

ر = د 2 / داب (3)

هنا، Nu هو رقم نسلت، وSh هو رقم شيروود، وD هو معامل الانتشار.يتم التحكم في التفاعلات الكيميائية التي تتم في العمليات الكيميائية من خلال معدل النقل أو حركية التفاعل الداخلي أو كليهما.بالنسبة للتفاعلات اللحظية والسريعة، عند إجرائها في معدات التفاعل ذات النطاق التقليدي، يتم التحكم فيها من خلال معدل النقل.في أنظمة التفاعل المجهرية، نظرًا للزيادة الكبيرة في معدل النقل، سيتم تعزيز معدلات التفاعل لهذه العمليات بشكل كبير.أما بالنسبة للتفاعلات البطيئة، والتي يتم التحكم فيها بشكل أساسي عن طريق حركية التفاعل الداخلي، فإن إحدى الوسائل الرئيسية لتكثيف العملية هي زيادة معدل التفاعل الداخلي، والذي يتم تحقيقه عادةً عن طريق زيادة درجة حرارة التفاعل أو تغيير ظروف تشغيل العملية.في الوقت الحاضر، تنتمي معظم التطبيقات الصناعية لتفاعلات نترات الهيدروكربون إلى فئة عمليات التفاعل المتوسطة-البطيئة، حيث تتراوح أوقات التفاعل من عشرات الدقائق إلى الساعات.في المفاعلات الدقيقة، يمكن استخدام النترتة الأديباتية، ويمكن أن يؤدي تغيير ظروف العملية في وقت واحد إلى تقليل وقت التفاعل إلى ثوانٍ.وبالتالي، من الناحية النظرية، يمكن تكثيف جميع عمليات التفاعل تقريبًا.