CC BY
142
УДК 621.1.016:536.25
В.В. Кузнецов, О.В. Витовский, С.В. Димов, С.П. Козлов Институт теплофизики им. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск
ТЕПЛОМАССООБМЕН В МИКРОХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ
1. ВВЕДЕНИЕ
Течение реагирующей смеси газов в каналах малого размера используется в теплообменниках-реакторах для интенсификации тепло и массообмена при химических превращениях [1-5]. Применение топливных элементов, использующих водород как топливо и реализующих принцип электрохимической генерации электрической энергии, диктует создание локальных микрохимических источников водорода, основанных на использовании микроканальных реакторов и наноструктурных покрытий, развивающих внутреннюю поверхность реактора. Высокая производительность микроканальных реакторов достигается за счёт интенсификации тепло и массопереноса в каналах субмиллиметрового и микронного размера при параллельной реакции в большом числе каналов и высокой степени использования катализатора. Уменьшение эффективной длины переноса в микроканальном реакторе в значительной степени устраняет диффузионные ограничения и ускоряет скорость химических превращений. Одним из решений данной проблемы является использование дискового щелевого теплообменника-реактора, в котором реализуется радиальное течение реагирующих газов в узком щелевом канале. При этом дисковые пластины реактора могут быть выполнены из пористого композитного каталитически активного материала с высокой теплопроводностью [6]. Компактный реактор такого типа может быть использован для различных химических превращений, таких как одностадийная паровая конверсия оксида углерода, синтез Фишера-Тропша и др. Актуальность создания компактного аппарата паровой конверсии СО определяется развитием работ в области водородной энергетики и насущностью разработки компактного устройства получения чистого водорода, как топлива для топливных элементов, для использования его в автономных системах энергоснабжения, в том числе на борту автомобиля. Для решения задачи интенсификации тепло- и массообмена при химических превращениях в многокомпонентных реагирующих смесях в последнее время используют также микроканальную технологию. Микрохимические
реакторы-теплообменники используются для конверсии углеводородов и спиртов в синтез газ и водород, а также целого ряда других
высоконапряженных энергетических и химических процессов.
Целью данной работы является экспериментальное и численное
исследование тепловых, диффузионных и физико-химических процессов при течении высокотемпературной реагирующей смеси в сборке мили- и микроканалов с активированием реакции на стенках каналов, организации
тепловых потоков при сильно эндотермических и экзотермических реакциях с выделением и поглощением тепла в различных зонах реактора.
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ЩЕЛЕВОМ РЕАКТОРЕ
Щелевой дисковый теплообменник, схема которого показана на рис. 1, представляет собой набор круглых пластин, расположенных с зазором для течения газа. При этом течение газа в каждом следующем зазоре чередуется по направлению от центра к периферии и от периферии к центру. Для такого типа теплообменника и двух зазоров между пластинами были измерены коэффициенты теплоотдачи от нагреваемой трубы к протекающему внутри его газу. Коэффициент теплоотдачи определялся как [7]: а = Q/(StotATm); здесь: Q - тепловая мощность, передаваемая от нагреваемых поверхностей воздуху, Stot - площадь поверхности пластин, омываемая проходящим воздушным потоком, АТт - среднелогарифмическая разность температур,
Т -Т
определяемая как: АГт=(Тш-Тш)*(1п(-^—-))~К где Тш - температура воздуха
I'm. ~ T-w
на входе в теплообменник, Tout - температура воздуха на выходе из щелевого, Тм, - среднее значение температуры на цилиндрической стенке. Тепловая мощность Q определена как: Q = GCpAT, где G - массовый расход воздуха; Ср - удельная теплоемкость воздуха; АТ - перепад температур воздуха на входе и выходе.
На рис. 2 приведены зависимости числа Нуссельта от числа Рейнольдса для двух размеров зазора между пластинами теплообменника. Здесь число Рейнольдса и число Нуссельта определены как: Re = V*(2h)/v, Nu = a*(2h)//., где: V - приведенная скорость газа в серединном сечении пластин, 2h = Dh -гидравлический диаметр, X - коэффициент теплопроводности. Увеличение числа Нуссельта с ростом числа Рейнольдса характерно для ламинарного течения в каналах малого размера (микроканалах) [8] и для турбулентного течения [7]. Диапазон чисел Рейнольдса, представленный на рис. 2 не отражает в полной мере характер течения в рассматриваемой системе пластин. При радиальном течении на входе воздуха в центральное отверстие числа Рейнольдса достигают значений 2000 и течение является турбулентным. При выходе воздуха через отверстия на периферии течение является суживающимся и также турбулентным. Возмущения, генерируемые турбулентным течением на входе, распространяются в серединную область, возмущая ламинарное течение, что и приводит к зависимости коэффициента теплоотдачи с ростом расхода газа.
Рис. 1. Схема течения газа в дисковом щелевом теплообменнике и вид
Г*Г\ О П атТТТТ/ГХ7 АТЧЛ ТТТЛ Г* Т^Г\ о г* г* ттхтттлд
Re
Рис. 2. Зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса при течении
Для дискового теплообменника исследовано поле температур отдельной пластины при наличии тепловыделения на ней. Труба реактора заполнялась набором пластин из композитного материала с высокой теплопроводностью [6], разделенных кольцами, которые определяли расстояние между пластинами. Течение газа в реакторе формировалась от периферии к центру, с последующим изменением от центра к периферии. В отличие от остальных предпоследняя пластина с центральным отверстием имела каталитическое покрытие. Для измерения температур поверхности каталитической пластины размещены четыре хромель-алюмелевые термопары. Схема расположения термопар приведена на рис. 3. На начальном этапе через реактор прокачивался воздух, который предварительно нагревался до температуры 583К. После достижения равномерного распределения температуры пластины в реактор подавалась рабочая смесь газа. Рабочая смесь представляла собой 2% смесь водорода в воздухе. При прохождении рабочего газа через реактор на каталитической пластине происходит горение водорода. На рис. 4 приведено изменение температуры поверхности катализатора с течением времени. Здесь же приведено изменение входной и выходной температуры газа. Температура пластины быстро увеличивается, в то время как выходная температура смеси достигает равновесного значения
за большое время. Наблюдается повышенная температура (Т4) в застойной зоне реактора.
Для элемента пластинчатого
реактора было рассчитано течение и теплообмен газовой смеси. Область решения включала пространство
между двумя пластинами и области, занимаемые отверстиями. На пластине задавалось равномерное
поверхностное или объёмное тепловыделение. Задавались
параметры рабочей смеси и теплофизические параметры стенки. На нижней пластине задавались адиабатические граничные условия. В результате расчета получено
5тв а ЕН 576 2 1 А Щ Ч
С і
1», V Я 5754 5Г5І
Рис. 3. Расчетное поле температуры поверхности каталитической пластины. 1т = 2 мм, О = 0.85 г/с, X = 10 \У/тК, 8-2
-5
мм, q = 500 к^/т . Точки - места измерения температуры поверхности в эксперименте
распределение температур каталитической поверхности, которая приведена на рис. 3. Наблюдается слабое изменение температуры поверхности по радиусу каталитической пластины. На рис. 5 приведено сравнение измеренных и рассчитанных температур поверхности. Здесь же приведены расчеты распределения температуры поверхности при поверхностном выделении тепла для нетеплопроводной пластины. В этом случае изменение температуры поверхности существенно больше, что может неблагоприятно повлиять на степень конверсии и селективность продуктов реакции
о Т1
А 12
о ТЗ X Т4 □ Тіп ■ ТоїЛ
48.0 48.5 49.0 49.5 50.0 50.5 51 0
і [тіп]
„ 5
Т 4
I-
■° 3
2
1
0
♦ ЭКСП.
□ расч.(Ь = Ю УУ/тК) д расч.(?' = 0 W/mK)
ю
г [тт]
Рис. 4. Изменение температуры поверхности каталитической пластины (Т1-Т4), входной и выходной температуры рабочей смеси газов при начале реакции от времени при О = 0.85 г/с И = 2 мм
Рис. 5. Изменение температуры поверхности в эксперименте и в расчете для одинаковой мощности тепловыделения с учетом теплопроводности стенок и без нее
3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИИ НЕПОЛНОГО ОКИСЛЕНИЯ МЕТАНА
Исследование реакции неполного окисления метана проведено на экспериментальном стенде, который включает в себя газовые магистрали для доставки метана и кислорода из баллонов в микрохимический реактор, газовые контроллеры для поддержания требуемых расходов газов, блок предварительного подогрева газовой смеси и рабочий участок. После химического превращения в рабочем участке образовавшаяся смесь газов направляется в газовый хроматограф для определения компонентного состава и в газовый счетчик для измерения объемного расхода. Рабочий участок стенда представляет собой микроканальную пластину с нанесенным катализатором, размещенную между толстостенными обкладками, оснащенными нагревательными элементами. В качестве активирующего покрытия использован платинородиевый катализатор на основе у - А1203 и модифицирующих добавок. Для контроля температуры поверхности реактора хромель-алюмелевые термопары приварены к микроканальной пластине точечной сваркой. Микроканальная пластина имела 11 каналов длиной 40 мм и глубиной 1 мм. Опыты проведены при начальной температуре реактора около 800оС. Мольное соотношение реагирующих газов на входе в реактор составляло СН4/О2 = 2. Диапазон времен пребывания 16 - 110 мсек.
Измерения распределения температуры реагирующей смеси газов по длине микроканала показали, что при малых временах пребывания смеси в реакторе (< 40 мсек) происходит его значительный разогрев вблизи входа, обусловленный протеканием экзотермическая реакции полного окисления метана. На наличие этой реакции указывает также значительное увеличение концентрации двуокиси углерода и воды на выходе для времен пребывания меньше 40 мсек. Данные по составу смеси и распределению её температуры по длине микроканалов показывают двухстадийность реакции неполного окисления метана, в особенности для малых времен пребывания. На начальном этапе происходит сжигание части метана с образованием паров воды и двуокиси углерода, и затем химическое превращение образовавшейся смеси с образованием водорода и окиси углерода. В рамках одномерной модели химических превращений при кинетике положительной реакции первого порядка и кинетики реакции Лангмюра-Хеншелвуда получено аналитическое соотношение для степени химического превращения компонент смеси, учитывающее внешнее диффузионое торможение. Обработка экспериментальных данных по степени химического превращения метана для кинетики положительной реакции первого порядка показала, что величина константы скорости реакции плавно возрастает при уменьшении времени пребывания до 40 мсек, что связано с ростом температуры в зоне реакции, и затем уменьшается при изменении характера химического превращения - рис. 6.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследование теплообмена при радиальном течении газа в дисковом щелевом теплообменнике-реакторе показало, что течение в зазоре между пластинами является сильно возмущенным, и коэффициенты теплоотдачи существенно зависят от расхода газа. Численные расчеты и эксперименты показали, что при наличии химических превращений с тепловыделением на стенках щелевого реактора, поле температур пластин может быть сильно неоднородным. При использовании пластин из композитного каталитически активного материала с теплопроводностью до 10 '/шК, температурные неоднородности
существенно сглаживаются, и такие реакторы могут быть использованы для проведения химических превращений с высокой селективностью и степенью конверсии исходных продуктов.
Исследование неполного окисления метана в среде кислорода в сборке микроканалов показало, что химическое превращение смеси газов протекает в две стадии. На первой стадии происходит реакция полного окисления метана и значительный разогрев реактора вблизи входа в микроканалы. На
<л ♦ ♦
♦
40 80 120
т, тэ Рис. 6. Изменение величины
константы скорости реакции в зависимости от времени пребывания
второй стадии происходят химические превращения образовавшейся смеси с образованием водорода и окиси углерода.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 05-0865526), интеграционного проекта СО РАН №144 и программы Президиума РАН (проект 7.2).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Peng X.F., Wang B.X., Peterson G.P., Ma H.B. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1995. -V. 38, N 1. P. 127-137.
2. Adams M.T., Abdel-Khalik S.I., Jeter S.M., Qureshi Z.H. // Int. J. Heat Mass Transfer, 1998. V. 41, N 6-7. P. 851-857.
3. Rostami A., Saniei N., Mujumdar A.S. // Heat and Technology. 2000. V. 18. N 2. P. 59-68.
4. Новиков П.А., Любин Л.Я. Гидромеханика щелевых систем. - Минск: Наука и техника, 1988. - 344 с
5. Savage S.B. // Trans. ASME. Ser. E. 1964. Vol.86 (J. Appl. Mech. Vol. 31, N 4). P.594-596.
6. D. Myers. T. Krause, J.-M. Bae and Pereira. Extending Abstracts.2000 Fuel Cell Seminap. P. 280-283.
7. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - Новосибирск: Наука, 1970.
8. Bontemps A., Belghazi M. // Microscale Heat Transfer-Fundamentals and Applications in Biological and Micromechanical systems, Turkey, July 18-30, 2004, P. 3-4.
© В.В. Кузнецов, О.В. Витовский, С.В. Димов, С.П. Козлов, 2006
