1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теоретические основы химической технологии
  4. T. 57, № 6, 2023

Теоретические основы химической технологии, 2023, T. 57, № 6, стр. 681-696

Исследование качества микросмешения в одноступенчатом микрореакторе с интенсивно закрученными потоками

Р. Ш. Абиев a, b, *, Д. А. Потехин a, b

a ФГБУН Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Санкт-Петербург, Россия

b Санкт-Петербургский технологический институт (технический университет)
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: abiev.rufat@gmail.com

Поступила в редакцию 25.09.2023
После доработки 28.09.2023
Принята к публикации 02.10.2023

Аннотация

В статье рассматриваются результаты экспериментального и численного исследования гидродинамических характеристик вихревого струйного микрореактора – микро-ВСА-1, одна из областей применения которого – синтез оксидных материалов (например, перовскитоподобных материалов для солнечных панелей). Исследованы скорость диссипации энергии и качество микросмешения (с использованием йодид-иодатной методики) при различных способах подачи растворов в микро-ВСА-1 и в Т-образном миллиреакторе. Численное моделирование позволило выявить объемы с наибольшей скоростью диссипации энергии. Показано, что качество микросмешения в микро-ВСА-1 существенно выше, чем в Т-образном миллиреакторе, что обусловлено, среди прочего, локализацией зоны с наибольшей скоростью диссипации энергии вблизи горловины микро-ВСА-1.

Ключевые слова: микрореактор, удельная скорость диссипации энергии, качество микросмешения, статический смеситель, вихревые течения

Список литературы

  1. Statistical Review of World Energy / BP. Whitehouse Associates. London. 2021. № 70. C. 72.

  2. Абиев Р.Ш., Сироткин А.А. О влиянии гидродинамических условий на микросмешение в микрореакторах со сталкивающимися струями// Теор. основы хим. технол. 2022. Т. 56. № 1. С. 11. [Abiev, R.S., Sirotkin, A.A. Effect of Hydrodynamic Conditions on Micromixing in Impinging-Jets Microreactors. Theor. Found. Chem. Eng. 2022. V. 56. № 1. 9. https://doi.org/10.1134/S0040579522010018].

  3. Sirotkin A.A., Abiev R.Sh. Effect of energy dissipation rate on the micromixing in a microreactor with free impinging jets // New Materials, Compounds and Applications. 2022. V. 6. № 3. P. 191.

  4. Kudryashova Yu.S., Zdravkov A.V., Abiev R.Sh. Synthesis of Yttrium-Aluminum Garnet Using a Microreactor with Impinging Jets // Glass Physics and Chemistry, 2021. V. 47. № 3. P. 260. https://doi.org/10.1134/S108765962103007X

  5. Масленникова Т.П., Гатина Э.Н., Котова М.Е., Уголков В.Л., Абиев Р.Ш., Гусаров В.В. Формирование наносвитков гидросиликата магния со структурой хризотила из нанокристаллического гидроксида магния и их термически стимулированная трансформация // Неорганические материалы. 2022. Т. 58. № 11. С. 1192https://doi.org/10.31857/S0002337X22110112. [Maslennikova T.P., Gatina E.N., Kotova M.E., Ugolkov V.L., Abiev R.Sh., Gusarov V.V. Formation of Magnesium Hydrosilicate Nanoscrolls with the Chrysotile Structure from Nanocrystalline Magnesium Hydroxide and Their Thermally Stimulated Transformation. Inorganic Materials. 2022. V. 58. № 11. P. 1152. https://doi.org/10.1134/S0020168522110115].

  6. Проскурина О.В., Соколова А.Н., Сироткин А.А., Абиев Р.Ш., Гусаров В.В. Роль условий соосаждения гидроксидов в формировании нанокристаллического BiFeO3 // Журн. неорг. хим. 2021. Т. 66. № 2. С. 160. https://doi.org/10.31857/S0044457X2102015X [Proskurina O.V., Sokolova A.N., Sirotkin A.A., Abiev R.Sh., Gusarov V.V. Role of Hydroxide Precipitation Conditions in the Formation of Nanocrystalline BiFeO3 // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 2. P. 163. https://doi.org/10.1134/S0036023621020157].

  7. Abiev R.S., Almjasheva O.V., Popkov V.I., Proskurina O.V. Microreactor synthesis of nanosized particles: The role of micromixing, aggregation, and separation processes in heterogeneous nucleation // Chem. Eng. Res. & Des. 2022. № 178. P. 73. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.12.003

  8. Абиев Р.Ш. Микрореактор с закрученными потоками растворов реагентов. Пат. 2736287 РФ. 2020.

  9. Abiev R.S., Kudryashova Y.S., Zdravkov A.V., Fedorenko N.Y. Micromixing and Co-Precipitation in Continuous Microreactors with Swirled Flows and Microreactors with Impinging Swirled Flows // Inorganics. 2023. № 11. P. 49.https://doi.org/10.3390/inorganics11020049

  10. Gorak A., Stankiewicz A. Research Agenda for Process Intensification https://www.google.com/search?q=Research+Agenda+for+Process+Intensification&oq=Research+Agenda+for+Process+Intensification&aqs=chrome..69i57j69i64.1565j0j4&sourceid=chrome&ie=UTF-8.

  11. Stankiewicz A., Moulijn J.A. Process intensification: transforming chemical engineering // Amer. Inst. Chem. Eng. January 2000. P. 22.

  12. Moulijn J.A., Makkee M., van Diepen A. Chemical Process Technology. Wiley. 2001.

  13. Dautzenberg F.M., Mukherjee M. Process intensification using multifunctional reactors // Chem. Eng. Sci. 2001. V. 56. P. 251.

  14. Zhao C.-X., He L., Qiao S.Z., Middelberg A.P.J. Nanoparticle synthesis in microreactors // Chem. Eng. Sci. 2011. V. 66. P. 1463. https://doi.org/10.1016/j.ces.2010.08.039

  15. Nightingale A.M., deMello J.C. Segmented Flow Reactors for Nanocrystal Synthesis// Advanced Materials. 2013. V. 25. № 13. P. 1813. https://doi.org/10.1002/adma.201203252

  16. Mbwahnche R.C., Matyushkin L.B., Ryzhov O.A., Aleksandrova O.A., Moshnikov V.A. Synthesis of quantum dot nanocrystals and plasmonic nanoparticles using a segmented flow reactor // Optics and Spectroscopy. 2017. V. 122. P. 48.

  17. Luo L., Yang M., Chen G. Continuous synthesis of TiO2-supported noble metal nanoparticles and their application in ammonia borane hydrolysis // Chem. Eng. Sci. 2022. V. 251. P. I. 117479.https://doi.org/10.1016/j.ces.2022.117479

  18. Kawase M., Suzuki T., Miura K. Growth mechanism of lanthanum phosphate particles by continuous precipitation // Chem. Eng. Sci. 2007. V. 62. P. 4875.https://doi.org/10.1016/j.ces.2007.02.032

  19. Marchisio D.L., Barresi A.A., Garbero M. Nucleation, growth, and agglomeration in barium sulfate turbulent precipitation // AIChE J. 2002. V. 48. № 9. P. 2039. https://doi.org/10.1002/aic.690480917

  20. Marchisio D.L., Rivautella L., Barresi A.A. Design and scale-up of chemical reactors for nanoparticle precipitation // AIChE J. 2006. V. 52. P. 1877. https://doi.org/10.1002/aic.10786

  21. Schwarzer H.-C., Peukert W. Combined Experimental/Numerical Study on the Precipitation of Nanoparticles // AIChE J. 2004. V. 50. P. 3234. https://doi.org/10.1002/aic.10277

  22. Vacassy R., Lemaître J., Hofmann H., Gerlings J.H. Calcium carbonate precipitation using new segmented flow tubular reactor // AIChE J. 2000. V. 46. P. 1241.

  23. Patil S., Kate P.R., Deshpande J.B., Kulkarni A.A. Quantitative understanding of nucleation and growth kinetics of silver nanowires // Chem. Eng. J. 2021. V. 414. I. 128711. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128711

  24. Tanimu A., Jaenicke S., Alhooshani K. Heterogeneous catalysis in continuous flow microreactors: A review of methods and applications // Chem. Eng. J. 2017. V. 327. P. 792. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.161

  25. Абиев Р.Ш. Химические и биохимические реакторы для контролируемого синтеза органических и неорганических веществ (обзор) // Журн. прикл. химии. 2022. Т. 95. № 11–12. С. 1339. https://doi.org/10.31857/S0044461822110019 [Abiev R.Sh. Chemical and Biochemical Reactors for Controlled Synthesis of Organic and Inorganic Compounds // Russ. J. Appl. Chem. 2022. V. 95. № 11. P. 1653. https://doi.org/ 10.1134/S1070427222110015].

  26. Абиев Р.Ш. Вихревой струйный аппарат и способы его включения (варианты). Патент 2262008 РФ. 2005.

  27. Абиев Р.Ш., Некрасов В.А., Панова Д.Д. Использование вихревого струйного аппарата в качестве пеногенератора в производстве пенобетона. Изв. СПбГТИ(ТУ). 2012. № 14(40). С. 67.

  28. Абиев Р.Ш., Васильев М.П., Доильницын В.А. Исследование процесса вакуумной дегазации воды при помощи вихревого струйного аппарата. Изв. СПбГТИ (ТУ). 2015. № 28(54). С. 64.

  29. Fedorenko N.Yu., Abiev R.Sh., Kudryashova Yu.S., Ugolkov V.L., Khamova T.V., Mjakin S.V., Zdravkov A.V., Kalinina M.V., Shilova O.A. Comparative study of zirconia based powders prepared by co-precipitation and in a microreactor with impinging swirled flows. Ceramics International. 2022. V. 48(9). P. 13006. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.174

  30. Абиев Р.Ш., Здравков А.В., Кудряшова Ю.С., Александров А.А., Кузнецов С.В., Федоров П.П. Синтез наноразмерных частиц фторида кальция в микрореакторе с интенсивно закрученными потоками // Журн. неорг. химии. 2021. Т. 66. № 7. С. 929.

  31. Lomakin M.S., Proskurina O.V., Abiev R.Sh., Leonov A.A., Nevedomskiy V.N., Voznesenskiy S.S., Gusarov V.V. Pyrochlore phase in the Bi2O3–Fe2O3–WO3–(H2O) system: Physicochemical and hydrodynamic aspects of its production using a microreactor with intensively swirled flows // Adv. Powder Technol. 34 (2023) 104053. https://doi.org/10.1016/j.apt.2023.104053

  32. Fournier M.C., Falk L., Villermaux J. A new parallel competing reaction system for assessing micromixing efficiency – Experimental approach // Chem. Eng. Sci. 1996. V. 22. P. 5053–5064. https://doi.org/10.1016/0009-2509(96)00270-9

  33. Guichardon P., Falk L. Characterisation of micromixing efficiency by the iodide-iodate reaction system. Part I: experimental procedure // Chemical Engineering Science. 2000. V. 55. P.4233.

  34. Commenge J., Falk L. Villermaux–Dushman protocol for experimental characterization of micromixers // Chemical Engineering and Processing. 2011. V. 50. P. 979.

  35. Falk L., Commenge J.-M. Performance comparison of micromixers // Chem. Eng. Sci. 2010. V. 65. P. 405. https://doi.org/10.1016/j.ces.2009.05.045

  36. Абиев Р.Ш., Макушева И.В. Влияние макро- и микросмешения на процессы растворного синтеза частиц оксидных материалов в микроаппаратах с интенсивно закрученными потоками // Теор. основы хим. технол. 2022. Т. 56. С. 137. [Abiev R.Sh., Makusheva I.V. Effect of Macro- and Micromixing on Processes Involved in Solution Synthesis of Oxide Particles in High-Swirl Microreactors // Theor Found Chem Eng. 2022. V. 56. P. 141. https://doi.org/10.1134/S0040579522020014].

  37. Abiev R.Sh., Makusheva I.V. Energy Dissipation Rate and Micromixing in a Two-Step Micro-Reactor with Intensively Swirled Flows // Micromachines. 2022. V. 13. №. 11. P. 1859. https://doi.org/10.3390/mi13111859

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теоретические основы химической технологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал