理论研究仪器的影响参数对气流的流场影响的基础机械化学的合成

文摘

基于气流影响的机械化学的合成是一个替代战略传统机械化学的准备,有很多优势的反应温度,速度,准备和清洁。在此,我们从理论上研究仪器参数的影响,包括轴向位置的物理目标,直径喷嘴喉部和吸水管的区别,和发散角的匀速地区,基于气流的流场影响的机械化学的合成。优化参数。在最优条件下,一个稳定和高速气流,速度可以达到大约2.6的马赫数。高速气流可以轻松携带反应物质到达物理目标,引发化学反应。这些发现无疑提供了一个关键的指导方针的进一步发展和应用基于气流影响的机械化学的合成。

1。介绍

机械化学的合成受到越来越多的关注,由于其独特的优势,如简单经济,环境友好1]。它可以轻易地进行固态的不使用溶剂。各种物质生成从有机化合物、有机框架到纳米材料已经成功地准备使用机械化学的合成技术(1- - - - - -7]。传统上,机械化学的合成是由手工磨削,球磨,和双螺杆挤出8- - - - - -14]。然而,这些方法受到许多缺点。例如,这些方法会产生一个高温过程期间,不适合准备热敏感的化合物。此外,准备在公斤·h速度是有限的⁻¹,使他们实现大规模合成不足。

为了克服这些缺点,我们最近开发了一个新的基于气流影响的机械化学的合成(15]。在这种策略,可以加速到最大速度的气流上升至300 - 600 m / s在室温下(大约25°C)。当反应物质是由空气流以超音速的速度,他们会剧烈地相互碰撞或物理目标,伴随着机械能量有效地启动化学反应。采用气体介质代替物理球,杵,和螺丝,导致一个更清洁和可再生的合成。更重要的是,它已经证明了基于气流影响的机械化学的合成是能够实现大规模和快速制备在公斤·敏⁻¹率,这是至少60倍速度比传统的机械化学的合成方法。显然,基于气流影响的性能的机械化学的合成是高度依赖于气流场的乐器。为了更好地理解准备过程,它是非常可取的研究气流场的乐器。

在这里,我们从理论上研究仪器的气动设计参数的影响流场的气流影响基础机械化学的合成。一些仪器参数,包括物理目标,喷嘴喉部直径差内壁和吸水管的固体反应粒子,和发散角的加速管,进行了调查。根据分析结果,我们得到优化的气动设计参数。这项工作为基于气流影响的机械化学的合成提供了一个指南。

2。方法

2.1。De拉伐尔喷嘴的设计

拉伐尔喷嘴是用来产生高速气流以超音速的速度。等熵流假定在环形喷嘴。生产马赫数()是依赖于出口的面积比表面和喉咙 ,根据以下方程(16,17]: 在哪里是比热比,它是被常数1.4的双原子气体分子,排气的面积,的面积是喉咙。

总压强的压力比在进气和排气端静态压力必须保持足够高的值,和临界压力比可以检测到下面的关系(18- - - - - -20.]: 在哪里和是总压强和温度总摄入量,和静态压力和静态温度在排气喷嘴。

同时,De拉伐尔喷嘴的各个部分,包括收敛,发散部分,和统一的速度剖面,计算得到外表如大小、长度和角度通过一系列方程见支持信息(可用在这里)。确保理论马赫数可达3 De拉伐尔喷嘴的物理尺寸如下:收敛部分(长度:40毫米,直径:9.26毫米),喉径(3毫米),和发散部分(长度:24.69毫米,直径:6.17毫米)。

2.2。数值模拟

我们利用商业CFD代码流利6.3数值模拟基于上述De拉伐尔喷嘴和仪器参数变量所我们的手稿。计算分析使用navier - stokes方程,可以用一种保护形式如下21]: 在哪里 , ,和分别表示流密度、压力和温度;速度分量沿笛卡尔坐标吗 ; 和总能量和总焓单位体积,分别;是应力张量;是传热系数;和克罗内克符号。介绍了理想气体状态方程关闭系统。

的运行方程k- - - - - -ωSST湍流模型用于计算分析。SST湍流模型是用于高精度模拟边界层。这是一个混合夫妇的标准方法k- - - - - -ε和k- - - - - -ω模型的一种有效方式,k- - - - - -ω模型中使用的壁面区域和标准k- - - - - -ε在远场区域模型,混合在一起在地区之间的接口。它包括运输剪应力的建模通过修改湍流粘度的定义。

压力入口边界条件用喷嘴的摄入和吸入管。压力出口边界条件应用在出口处。无衬壁被用于所有的坚实的墙。此外,所有的墙壁被假定为理想刚性固体表面没有在碰撞变形。气流的流场影响的整体分析机械化学的合成进行了基于ANSYS 16.0。

3所示。结果与讨论

3.1。气流影响仪器的结构

如图1,吸水管的气流影响仪器组成,收敛区域,扩散区域,匀速地区,一个物理目标。当压缩空气注入这个乐器,空气加速收敛的亚音速地区。空气的速度扩散地区进一步增加超音速。高速空气可以携带反应物质与物理目标,相撞引发化学反应。空气的速度是一个关键因素的化学制剂,主要依赖于直径喷嘴喉部和吸水管的区别,物理目标的位置,发散角。

3.2。优化流场的气动设计参数

描述气流的速度,介绍了马赫数,表示为 ,在哪里是当地的边界和流速对吗代表介质的声速。它可以表示为 ,在哪里是空气的绝热指数,是气体常数,热力学温度(22]。我们可以解决navier - stokes方程(5)获得在不同的位置,进一步用于计算 。喷嘴喉部直径的影响区别和吸水管()流场是首先调查。如图2,当时的价值低于0.5毫米,压缩空气的速度迅速降低喷涂后的声速。此外,如果2.5毫米以上,气流容易形成弯曲激波,不稳定(图2 (b))。因此,为了获得一个稳定的高速气流,的值应该保持在1.0 - -2.0毫米的范围。

除了直径喉咙内壁和吸水管的区别 ,轴向位置的物理目标除了喷洒出口是另一个重要的因素。作为显示在图3(一个),它不能获得稳定的流场在缺乏物理目标,和气流的速度相对较低。物理目标是放置在仪器,可以获得一个稳定和高速气流如图3 (b)- - - - - -3 (e)。然而,物理目标也能够干扰流场的气流如果太靠近喷出口(数字3 (f)- - - - - -3 (h))。同时,在这种情况下,它可以导致局部充血,导致移动向前弯曲激波。而物理目标之间的距离和喷洒插座的范围从395到410毫米,可以获得一个稳定和高速气流,和的平均值大约是2.6。因此,优化的轴向距离的物理目标和喷洒出口从395到410毫米。

为了避免出现强烈的冲击波和保持较高的气流,匀速的发散角介绍区域如图4(一)。发散角对轴向速度的影响(U_轴)检查3。高可以促进碰撞过程,有效地提升者的化学反应。在现阶段,很难实现的设备数量超过3由于材料方面的限制,载气,和压力。可以看出,没有发散角能够导致气体拥堵和快速减少的U_轴,减少亚音速。这个结果证实,发散角的引入是非常必要的。此外,随着0.1°到0.3°的发散角的值U_轴逐渐增加,达到一个稳定值为0.3°。然而,当发散角大于0.3°,不稳定激波出现在匀速的结束。因此,优化的发散角是0.3°获得稳定和高速空气流。

3.3。气流场的分布

在最优气动设计参数下,我们进一步研究气流场的分布基于气流影响的机械化学的合成乐器。显示在图5,高压气体加速收敛的地区和气体达到一个相对高的速度。此外,一个极其相对静态压力(P/P_裁判= 0.1,P和P_裁判当地的静态压力和参考压力平均值的1 atm, resp)获得在吸入管的出口。大压差的各种反应的物质注入反应仪器。此外,吸水管的低速气流是由与高速气流扩散区域,横跨在匀速地区。最终,高速气流和强弓激波附近形成的物理目标。空气流的最大速度与当地约550 m / s2.6,这是能够提供机械化学的能量强大有效的化学制剂。

4所示。结论

总之,我们调查的影响仪器参数,如物理目标,直径喉咙内壁和吸水管的区别,和散度的角度,基于气流的流场影响的机械化学的合成。结果说明,这些参数强烈影响气流的速度。平均的气流可以达到2.6。此外,高速的气流形成一个稳定的流场,它可以携带的反应物质碰撞的物理目标,诱导化学反应。这些发现可能作为指南基于气流影响的机械化学的合成和进一步扩大应用领域的机械化学的合成。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究的支持,由中国国家自然科学基金(批准号51327804)。

补充材料

图S1: De拉伐尔喷嘴的结构。图S2和S3:相应的理论计算。(补充材料)

引用

1. b . p .∙钱德拉,s . Kandambeth Lukose, t·海涅和r·巴纳吉”机械化学的合成化学稳定性isoreticular共价有机框架,“美国化学学会杂志》上,卷135,不。14日,第5331 - 5328页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. c . s . l . James c . j . Adams Bolm et al .,“机械化学:新的机会和清洁合成”,化学学会评论第41卷。。1,第447 - 413页,2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. g . Bharath r . Madhu S.-M。陈,诉Veeramani、d . Mangalaraj和n . Ponpandian“无溶剂机械化学的合成石墨烯氧化物和铁₃O₄减少氧化石墨烯纳米复合材料为敏感检测亚硝酸盐,”材料化学杂志》上,3卷,不。30日,第15539 - 15529页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. p·a·朱利安k . Užarević公元Katsenis et al .,“原位监测和微孔的机械化学的形成机制mof - 74框架,“美国化学学会杂志》上,卷138,不。9日,第2932 - 2929页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. d . Prochowicz k . Sokołowski i Justyniak et al .,“IRMOF装配机械化学的策略基于预先设计oxo-zinc前兆,”化学通讯,51卷,不。19日,4032 - 4035年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. G.-W。王”,机械化学有机合成、“化学学会评论,42卷,不。18日,第7700 - 7668页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 公元Katsenis, a . Puskaric诉Strukil et al .,“原位x射线衍射监测机械化学的反应揭示了一个独特的拓扑结构有机框架,“自然通讯》第六卷,没有。1,p。6662年,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. m . y . Masoomi a Morsali, p . c .垃圾”快速机械化学的合成两个新的Cd (II)的有机框架与刚果红去除效率高,“CrystEngComm,17卷,不。3、686 - 692年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. i . y .全、郑胜耀Bae j . m . Seo和j·b·门敏”可伸缩edge-functionalized生产石墨烯nanoplatelets通过机械球磨,”先进功能材料,25卷,不。45岁,6961 - 6975年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 马x, w .元,s e·贝尔和s . l .詹姆斯,“更好地了解机械化学的反应:拉曼监测显示惊人的简单的拟流体模型球磨反应,”化学通讯,50卷,不。13日,1585 - 1587年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. d·e·克劳福德l·a·赖特,s . l . James a . p .雅培,“高效连续合成高纯度深低共熔溶剂通过双螺杆挤出,“化学通讯,52卷,不。22日,第4218 - 4215页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. d·e·克劳福德c . k . g . Miskimmin a . b . Albadarin g·沃克和s . l .詹姆斯,“有机合成的双螺杆挤压(谢霆锋):连续的,可伸缩的和无溶剂,”绿色化学,19卷,不。6,1507 - 1518年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 邓黄w z谢,y, y,他“3 3′、5、5′-tetramethylbenzidine-based quadruple-channel视觉比色传感器阵列高度敏感的血清抗氧化剂的歧视,”传感器和执行器B:化学卷,254年,第1060 - 1057页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. r·李,h、w·黄和y,他“氧化钼nanosheets满足抗坏血酸:可调的表面等离子体共振和视觉比色检测在室温下,“传感器和执行器B:化学卷,259年,页59 - 63,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. b .太阳,y, r·彭s .楚和j .左”气流影响连续、高效、大规模机械化学的合成:一个概念验证研究,“ACS可持续的化学和工程,4卷,不。4、2122 - 2128年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 他,李y, z和r . Wang“数学建模对喷射器的进步。”可再生能源和可持续能源的评论,13卷,不。8,1760 - 1780年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. n·h·阿里,a . Karameldin和m . m . Shamloul“蒸汽喷射喷射器的建模和模拟,”海水淡化,卷123,不。1,1 - 8,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. y . a . Cengel和m·a·博尔斯监管的热力学:一个工程的方法美国麦格劳-希尔,纽约,纽约,8日版,2015年,ISBN 978-0-07-339817-4。
19. j·r·帕廷一个先进的论述物理化学,基本原则。气体的性质,卷1,郎曼书屋,绿色& Co .,伦敦,英国,1949年。
20. h . m . j .粉丝,j·伊文思汤普森et al .,“计算流体喷射泵的动态分析和优化设计,“电脑&液体,46卷,不。1,第217 - 212页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. f . r .表示“状态”,“Two-equation涡粘性湍流模型的工程应用中,“张仁杂志,32卷,不。8,1598 - 1605年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 诉l·斯特里特和e·b·威利流体力学麦格劳-希尔高等教育,纽约,纽约,美国第九版,1988年版。

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