微管/通道换热器在工业中的应用二
惟新换热器2021-02-24 08:44
应用领域
在微过程工程中，实验室规模的应用程序与半工业或工业应用程序之间的过渡没有严格定义。多通道实验室规模的模块也可以用于工业范围内的精细化学品的生产，如果该范围例如仅为每年几百公斤。另一方面，用单个微结构箔装置可能难以生产数千吨的任何产品。因此，已经进行了工业规模设备的考虑，从而导致了放大，编号和均等化的可能性。然而，微结构器件的优点允许在运行不与常规技术[访问的方式处理1，2，24 ]。
在大多数情况下，微观结构尺寸的放大只能达到一定的极限。如果不遵守该限制，将失去微结构的特定优势。如果该过程的总吞吐量不太高，因此在测量和控制硬件和软件上的支出不太高，则可以选择编号。放大和编号的组合被称为均衡（或在其他参考文献中称为内部编号）。此处，将具有最佳尺寸的大量微结构集成到一个较大的设备中，从而可以实现更高的吞吐量。在[ 27 ]中描述了这种多尺度方法。
此外，有两种不同类型的微结构设备可用：多目标微结构模块（或设备），以及为满足一个过程的特定需求而构建的设备（单目标设备）。在下文中，将简要描述两种类型的设备/模块的一些示例。
图8显示了用于实验室规模和工业规模设备之间的浮动过渡的多目标设备示例。由玻璃制成的停留时间模块由辅助流体进行温度控制。它用于将化学反应混合物的停留时间调整为使反应良好进行所需的时间。
图8温度控制的停留时间模块。该玻璃微结构装置用于调节化学反应混合物的停留时间以获得良好的性能。（照片：mikroglas）
可从不同的供应商处获得用于半工业或工业应用的微型热交换器，并且是多目标设备的良好示例。在许多情况下，它们是由单个微结构箔制成的，这些微结构箔通过例如扩散粘结，激光或电子束焊接，钎焊或软钎焊进行堆叠和粘结。对于材料，使用了不同的金属合金，玻璃，聚合物和陶瓷。在[ 4 ]中详细描述了不锈钢错流微结构热交换器装置的制造。在图9中，示出了通过机械微加工制成的微通道不锈钢箔的系统。箔以错流排列的方式堆叠。图10图1显示了用于构造逆流微结构热交换器的湿法化学蚀刻微通道不锈钢箔。横流微结构装置示于图11中，而图12示出了逆流设计。图9机械加工的微通道箔的错流布置。箔片由不锈钢制成，并通过扩散粘合连接以形成非常稳定的堆叠。
图10微通道热交换器箔。湿法化学蚀刻的微通道设计用于构建逆流微结构热交换器。（照片：IMM）
图11不锈钢错流微结构热交换器。在1 cm 3的有效体积内，已集成了数百到数千个微通道。在水流量约为2,000 kg·m -2 s -1的情况下，可以使用水作为测试流体（95°C / 8°C）传递高达20 kW的热功率。压降在0.5MPa的范围内。
图12不锈钢逆流微结构热交换器。该器件提供的特性值与图11所示的错流设计相似。
使用图11和图12所示的微结构器件，可以获得质量为2,000 kg·m -2 s -1的质量通量，该通量以水作为测试流体，每通道压降约为0.5 MPa进行测量。比在所示的横流设计较大的设备。图10是能够处理高达的质量通量，以20000千克·米- 2个小号- 1，因为它是在[指出1，4 ]。
为了进一步提高质量通量，可以使用少量这些设备的并行化，也可以制造多尺度系统。图13中显示了使用有限数量的设备进行编号的示例，其中五个不锈钢错流微结构换热器是并联的。使用这种设备堆栈，在约0.5 MPa的压降下，质量通量约为100,000 kg·m -2 s -1。1 MW的最大热功率可以转让。更多细节可以在[找到1，3，4 ]。图14图中显示了多尺度逆流换热器设备，其中标准工业法兰为互连件。该设备由湿化学腐蚀的不锈钢箔组成，这些金属箔已通过扩散粘结法连接[ 28 ]。使用此设备，可以传输高达10 kW的热功率。在[ 29 ]中详细描述了类似的设备。
图13微结构热交换器堆栈。五个平行的不锈钢错流微结构热交换器。每个设备的有效容积为27 cm 3。使用该堆，在约0.5 MPa的压降下（测试流体：水），最大质量通量可能约为100,000 kg·m -2 s -1。可以传递1兆瓦的热能。
图14不锈钢逆流微结构热交换器。标准尺寸的法兰用于将微结构设备与处理设备互连。（照片：IMM）
对于某些应用，即使是大约30,000 W·m -2 K -1的极高的总传热系数（例如[ 3 ]）也可能不够。对于这些情况，可以通过改变热交换器装置的集成微结构来增强传热。关于此主题的详细信息，请参见[ 30 ]。
这样的热交换器设备可以轻松地与其他设备（例如微型混合器和微型反应器）组合使用，以在实验室规模，中试规模或生产规模的工厂中进行反应。在图15中，示出了用于生产氢气的实验室规模的设备。用此设备可以产生相当于燃料电池约5 kW电力的H 2体积。
图15实验室规模的H 2生产厂。在这个实验室规模的工厂中，可以连续产生5 kW等效体积的H 2。（照片：IMM）
在[ 31 ]中描述了用于化学反应的中试规模工厂的例子。在此，通过使用微结构装置，可以显着改善聚合过程中产生的大分子的重量分布。
在[ 32 ]中描述了用于运行微结构设备的工业中试工厂方法的另一个示例。实验室规模的设备[ 33 ]的结果已成功转移到中试工厂的工业应用中。
然而，专门为工业生产应用而设计的设备的出版物仍然很少。这可能是由于所描述的设计规则问题以及对微结构器件的长期稳定性缺乏了解所致。
工业应用的一个例子是在生产设施中加热生物柴油。在这里，使用电动微结构装置（见图16）将质量为1000 kg·h -1的生物柴油的流量从80°C加热到105°C。设备的最大电功率为20 kW。的主要功能的描述和装置的设计可以在[找到34，35 ]。图17示出了通过使用微结构热交换器获得的生物柴油的温度升高的示例。如[ 36 ]中指出的，其他微结构设备也可以与生物燃料一起使用。
图16电动微型热交换器。利用该装置，加热了生物柴油生产设备的全部生产质量流量。
图17生物柴油的温升。通过使用图16中所示的设备，可以将设备的整个生产质量流量的温度（1000 kg·h -1）提高到所需的值。
针对目标的多尺度微结构反应器装置的示例在图18中显示。该设备来自Forschungszentrum Karlsruhe微工艺工程研究所和奥地利DSM Fine Chemicals [ 37 ]的合作工作。该设备长650 mm，重约290 kg。集成了许多微型混合器和几万个用于传热的微通道，以进行高度放热的化学反应，以生产精细化学品。施加的质量流量约为1700 kg·h 1液体反应物。该设备已经过预先计算，可处理约800 kW的最大热功率。使用这种微结构装置，可以大大降低每公斤精细化工产品的生产成本。同时，提高了产物的纯度。因此，提高了反应产率，并且产生了更少的废物和副产物。在第一次生产活动中，成功生产了约300吨。
图18精细化学品的多规模生产反应器。在一项合作工作中，已经设计和制造了具有集成微结构的生产反应器。高度放热的化学反应成功进行。
概要
结构设备显然是实验室研究和工业应用的宝贵工具。以微结构设备中的热传递为例，描述了从实验室规模到工业生产范围的设备方式的某些方面。简要介绍了微尺度传热的基本原理。已经给出了实验室微结构设备，适用于从实验室到生产的各种微结构设备以及针对特定生产问题设计和制造的微结构设备的示例。有人指出，对于微结构器件，实验室和生产范围之间的转换是浮动的，因为微观结构设备的优势可能允许运行其他技术无法访问的工艺参数，因此实验室规模和生产规模没有严格定义的边界。因此，取决于产品和工艺，可以以每天公斤至每天吨的质量通量进行生产。
外表
微反应工程已经讨论了大约十年。随着人们对新的，引人入胜的技术的热情逐渐减弱，在近几年的经验和研究成果的支持下，在研究和应用中已经建立了更加现实的观点。现在，将微结构设备用于过程工程的边缘已经成为一种不仅为研究实验室而且为化学，制药和生物技术行业进行实际生产的众所周知且经过评估的技术。在电子，消费品，生物医学，汽车，飞机和太空技术中的其他应用可能很快就会出现。在许多情况下，微结构器件的潜力以及风险和局限性已经非常明显。在其他情况下，研究人员和工业界刚刚开始探索微结构设备的潜在好处。有关微结构技术的讲座和课程已开始在全球的大学中建立，这将导致新一代的科学家和工程师熟悉该技术。因此，该技术显然已经实现了从实验室式技术到工业应用的可访问且合理的技术的提升。这种方式将在不久的将来继续。显然，该技术已从实验室式技术提升为适用于工业应用的可访问且合理的技术。这种方式将在不久的将来继续。显然，该技术已从实验室式技术提升为适用于工业应用的可访问且合理的技术。这种方式将在不久的将来继续。
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