СМЕШЕНИЕ В МИКРОФЛЮИДИКЕ
Аннотация
Настоящая статья посвящена исследованию особенностей смешения в области микрофлюидных технологий. Микрофлюидика (микрогидродинамика) – это наука, описывающая поведение малых (порядка микро и нанолитра) объемов и потоков жидкостей. Микрофлюидные реактора получили широкое распространение в различных областях науки: медицина, специальная химия, биохимия, ядерная химия и многие другие. Они пользуются успехом ввиду обеспечения повышенного массо- и теплообмена, лучшей интенсификации процесса и, как следствие, высокого выхода продукта. Наиболее важными элементами микрореакторов являются миксерная зона, которая обеспечивает дестабилизацию и закручивание потоков с целью их перемешивания, и реакционная зона (змеевидный канал), рассчитываемая в зависимости от кинетики конкретной реакции. Задачей текущего исследования является выявление наиболее эффективной геометрии смесительных ячеек пластинчатого микрорекатора для обеспечения полного перемешивания реагентов, необходимого для дальнейшего протекания любых химических реакций. В данной статье рассмотрены основные формы ячеек микрореактора, определены их гидродинамические параметры в программе для компьютерного моделирования Comsol. Также предложен критерий эффективности смешения, основанный на данных на выходе из миксерной ячейки, на основании которого определены зависимости параметров cмешения от формы ячейки. В рамках данной работы моделировали многофазную систему «жидкость-жидкость». Помимо этого, были проанализированы варианты исполнения миксерных зон, основанных на каскадном исполнении, предложена наиболее эффективная ячейка, наиболее близкая к модели реактора идеального смешения. Наиболее успешную геометрию необходимо реализовать путем обработки металла или стекла, с применением различных технологических операций. Проточная часть миксерной и реакционных зон может быть прорезанной, вырезанной в пластине, содержащей поток, углубленной в потоковую пластину, вдавленной в потоковую пластину, выгравированной в потоковой пластине, изготовлена с применением аддитивных технологий или полученным путем сочетания всего перечисленного согласно заданным технологиям.
Литература
Anton Enders, Ina G. Siller, Katharina Urmann, Michael R.
Hoffmann, Janina Bahnemann. 3D Printed Microfluidic Mixers-A Comparative Study on Mixing Unit Performances. Small.
Vol. 15. N 2. DOI: 10.1002/smll.201804326.
Bappa Mondal, Sumit Kumar Mehta, Promod Kumar
Patowari, Sukumar Pati. Numerical study of mixing in wavy
micromixers: comparison between raccoon and serpentine mixer. Chemical Engeneering and Processing – Process Intensification. 2019. Vol. 138. P. 44-61. DOI: 10.1016/j.cep.2018.12.011.
Timm Steffen Severin, Andreas Christoph Apel, Thomas
Brück, Dirk Weuster-Botz. Investigation of vertical mixing in
thin-layer cascade reactors using computational fluid dynamics.
Chemical Engineering Research and Design. 2018. Vol. 132. P.
-444. DOI: 10.1016/j.cherd.2018.01.036.
Norbert Josef Kockmann. Continuous reaction microreactor. Patent US N 9302243B2. 2016.
Friedrich Kapfhammer. Stationary mixer. Patent DE N
A1. 1989.
Alexander Schilling, Klaus Kadel, Markus Schneider.
Microrector. Patent DE N 102020124280A1. 2021.
Farakhov T.M., Laptev A.G. Evaluation of the efficiency
of packed-type static mixers. Bulletin of KSEU. 2011. N 4.:
https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka.
Ayman Karim, Jaime Bravo, David Gorm, Travis Conant,
Abhaya Datye. Comparison of wall-coated and packed-bed reactors for steam reforming of methanol. Catalysis Today. 2005.
Vol. 110. P. 86-91. DOI: 10.1016/j.cattod.2005.09.010.
Imran Shah, Soo Wan Kim, Kyunghwan Kim, Yang Hoi
Doh, Kyung Hyun Choi. Experimental and numerical analysis
of Y-shaped split and recombination micro-mixer with different
mixing units. Chemical Engineering Journal. 2019. Vol. 358. P.
-706. DOI: 10.1016/j.cej. 2018.09.045.
Adama A. Bojang, Ho-Shing Wu. Design, Fundamental Principles of Fabrication and Applications of Microreactors. Processes. 2020. Vol. 8. P. 891. DOI: 10.3390/pr8080891.
