基于康托尔分形的填充床微反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于康托尔分形的填充床微反应器，属于填充床微反应器技术领域。本发明专利技术提供的微反应器其微型微通道的相对的两侧面采用康托尔一次分形，使得微通道具有对称的、具有特定分布规律的内凹结构。内凹结构在微通道内形成特定分布的分形挡板，从而改变微通道的内部结构，进而改变反应物、生成物在微通道内的流动方向、流动速率，最终实现改变反应速率、产物的产率和转化率。相对于现有的直的微通道，本发明专利技术提供的这种具有特定分布规律的内凹结构的微通道能显著提高产物的浓度。的内凹结构的微通道能显著提高产物的浓度。的内凹结构的微通道能显著提高产物的浓度。

【技术实现步骤摘要】
基于康托尔分形的填充床微反应器


[0001]本专利技术涉及一种基于康托尔分形的填充床微反应器，属于填充床微反应器


技术介绍

[0002]近年来，微流控涉及到生物和化学等领域，由此促进了微反应技术的研究。目前微反应技术激发了世界各地众多学者的兴趣，各式各样的新型微反应器层出叠现，为化学领域的发展带来了深远的影响。
[0003]按照不同的分类方法，微反应器有多种类型。首先按照操作模式可分为连续微反应器、半连续微反应器和间歇微反应器。其次按微反应器的用途可分为生产微反应器和实验用微反应器两大类，其中实验用微反应器有对药物进行筛选、测试催化剂性能及工艺开发和优化等优点。从不同相态的反应方程角度出发，也可根据反应过程的不同划分微反应器的类型，反应物不同的相态决定了微反应器的结构，因此按照不同相态的反应类型，微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。
[0004]微反应器及其它微通道设备的微通道特征尺寸数量级是微米级。微反应器相对于大反应器具有反应空间小和非常大的表面积比的特点，在化学合成、化学动力学研究和工艺开发等领域具有广阔的应用前景。但是，现有微反应器的结构较为简单、单一。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足，通过对微反应器的微通道进行分形研究，提供一种区别与现有微反应器结构的、基于康托尔分形的微反应器。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0007]基于康托尔分形的微反应器，包括微型微通道；所述微通道呈长方体形，其长度方向的两端开口，其纵向截面在其长度方向具有第一边和第二边；所述第一边和第二边均采用康托尔一次分形；所述第一边的康托尔一次分形与所述第二边的康托尔一次分形相向、对称、分形参数相同；
[0008]所述微通道的纵向截面是指沿所述微通道长度方向对所述微通道水平切割形成的截面。
[0009]康托尔分形原理最早由德国数学家康托提出。三分康托集是很容易构造的，然而它却显示出许多最典型的分形特征。它是从单位区间出发，再由这个区间不断地去掉部分子区间的过程。图1显示了康托尔分形原理的结构。初级分形为将一段长为L0的线段三等分，每段长度为L1，中间部分高度为h0。二级分形为将两边长度为L1的线段继续三等分，分形长度为L2，高度为h1。
[0010]基于康托尔分形的填充床微反应器，其微通道的相对的两侧面侧采用康托尔一次分形，即可在微通道形成四组分形挡板。相邻两分形挡板之间距离，即分形宽度R，等于康托
尔分形原理中每段长度。分形挡板的高度，即分形高度，等于康托尔分形原理中中间部分的高度。
[0011]对矩形微通道的两侧面进行基于康托尔初次分形，如图4所示，一共分为相向、同向和相对三种不同的排列方式。在确定分形排列方式的基础上，对比不同分形尺寸对反应结果的影响，采取控制变量法确定分形高度与分形宽度。
[0012]本专利技术通过实验研究发现：分形的排列方式、分形参数的改变，会导致微反应器的微通道结构变化，进而会影响反应结果。
[0013]实验研究发现：相对于采用相对、相同分形排列方式获得的微通道，相向分形排列方式获得微通道对反应结果影响最好。所以，本专利技术采用相向分形排列方式获得的微通道；即，微通道纵向截面在其长度方向的第一边和第二边均采用康托尔一次分形；所述第一边的康托尔一次分形与所述第二边的康托尔一次分形相向、对称、分形参数相同。
[0014]实验研究发现：在采用在相向分形排列方式下，分形尺寸(分形参数)同样对反应结果有着显著影响。分形高度过大阻碍了反应物的流动，促进了逆向反应，分形高度过小导致反应不充分，分形宽度过大不利于反应的进行。当P＝1/2时，出口处H2O浓度最高且生成速度最快，反应结果最好。其中，P＝h/(1/2L)，R为分形宽度，L为微通道的宽度。R＝0.1时，H2O浓度明显高于R为其他尺寸时的浓度。
[0015]因此，基于康托尔分形的微反应器，其微通道的P＝h/(1/2L)的取值范围为大于等于1/4小于等于3/4；其中，微通道的宽度为L，第一边和第二边均采用康托尔一次分形的分形高度为h。优选的，P＝h/(1/2L)的取值为1/2。
[0016]基于康托尔分形的微反应器，其微通道的纵截面的第一边和第二边的分形宽度为R，R大于等于0.1小于等于0.2。优选的，R等于0.1。
[0017]基于康托尔分形的微反应器，可以用于丙烯与氧气作为反应物生成二氧化碳和水的催化反应。当基于康托尔分形的微反应器用于丙烯与氧气作为反应物生成二氧化碳和水的催化反应时，基于康托尔分形的微反应器内部填充有颗粒。所述颗粒为丙烯与氧气作为反应物生成二氧化碳和水的催化反应的催化剂。
[0018]本申请还进一步研究了基于康托尔分形的微反应器用于丙烯与氧气作为反应物生成二氧化碳和水的催化反应时，反应条件对反应结果的影响。研究结果表明：研究结果表明：微反应器的微通道内部填充的颗粒的孔隙率在0.2
‑
0.8范围内，孔隙率越小对反应结果越有利；故，优选孔隙率为0.8。C3H6与O2浓度比(反应物浓度比)在1
‑
4:1范围内，3
‑
4的反应物浓度比能达到较好的反应效果；优选的，反应物浓度比为3:1。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020]首次提出基于康托尔分形对微反应器的微通道进行分形。微通道的相对的两侧面采用康托尔一次分形，使得微通道具有对称的、具有特定分布规律的内凹结构。内凹结构在微通道内形成特定分布的分形挡板，从而改变微通道的内部结构，进而改变反应物、生成物在微通道内的流动方向、流动速率，最终实现改变反应速率、产物的产率和转化率。相对于现有的直通形式的微通道，本专利技术提供的这种具有特定分布规律的内凹结构的微通道能显著提高产物的浓度。尤其是适用于丙烯与氧气作为反应物生成二氧化碳和水的催化反应时，对微通道进行分形处理后反应物流经分形挡板时会产生强烈的混沌对流，从而增加反应物之间的接触面积，通过这种方式可以促进反应物的混合，从而提高反应物的转化率。
附图说明
[0021]图1是康托尔分形原理图；
[0022]图2是本专利技术实施提供的一种基于康托尔分形的填充床微反应器的结构示意图；
[0023]图3是网格独立性验证图；
[0024]图4是基于不同排列方式的康托尔分形的填充床微反应器的结构示意图；图5是不同微通道的H2O浓度分布(a)、不同通道微反应器入口至出口中心截止线上H2O和C3H6的浓度(b)、不同通道下分形位置C3H6截面浓度图(c)、不同通道下分形位置H2O截面浓度图(d)；
[0025]图6是不同P下出口处H2O浓度随时间变化曲线(a)、不同R下出口处H2O浓度随时间变化曲线(b)、浓度分布图(c)、截面浓度图(d)；
[0026]图7宏观微观结构中的微观催化剂多孔颗粒；
[0027]图8不同填充颗粒半径对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于康托尔分形的微反应器，其特征在于，包括微型微通道；所述微通道呈长方体形，其长度方向的两端开口，其纵向截面在其长度方向具有第一边和第二边；所述第一边和第二边均采用康托尔一次分形；所述第一边的康托尔一次分形与所述第二边的康托尔一次分形相向、对称、分形参数相同；所述微通道的纵向截面是指沿所述微通道长度方向对所述微通道水平切割形成的截面。2.根据权利要求1所述的基于康托尔分形的微反应器，其特征在于，P=h/（1/2L）的取值范围为大于等于1/4小于等于3/4；其中，所述微通道的宽度为L，所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雪叶，袁展鹏，曾祥伟，李笑宇，李昊卿，邹绩旭，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：