ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСМЕШЕНИЯ И ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ В МИКРОРЕАКТОРЕ С СООСНЫМИ КАМЕРАМИ И ВСТРЕЧНЫМИ ЗАКРУЧЕННЫМИ ПОТОКАМИ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Выполнено исследование удельной скорости диссипации энергии и качества микросмешения (с использованием йодид-иодатной методики) в микрореакторе с соосными камерами и встречными интенсивно закрученными потоками (MRISF-CC-2) при различных способах подачи потоков в широком диапазоне расходов. Найдена зависимость удельной скорости диссипации энергии от расходов, а также зависимость качества микросмешения (так называемого индекса сегрегации) от удельной скорости диссипации энергии для трех способов подачи растворов в аппарат. Наибольшие значения удельной скорости диссипации энергии наблюдаются при подаче в тангенциальный патрубок внутренней камеры и осевой патрубок, сопоставимые с ними – при подаче в тангенциальный патрубок внешней камеры и осевой патрубок, несколько меньшие – при подаче в тангенциальные патрубки внешней и внутренней камер. Сопоставление индекса сегрегации с тремя другими типами микрореакторов показало, что в целом все три способа подачи в MRISF-CC-2 обеспечивают существенно более высокое качество микросмешения. Показатели микросмешения оказались несколько лучше в микрореакторе MRISF-CC-2 по сравнению с MRISF-CC-1 (с оппозитными камерами и встречными интенсивно закрученными потоками). Наличие в микрореакторах с встречными интенсивно закрученными потоками MRISF-CC-1 и MRISF-CC-2 трех зон высокоинтенсивного смешения и двух зон интенсивного смешения открывает широкие возможности использования этих аппаратов для проведения многостадийных процессов синтеза наноразмерных и субмикронных частиц неорганических материалов, в том числе композиционных материалов.

Об авторах

Р. Ш. Абиев

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: rufat.abiev@gmail.com
Санкт-Петербург, Россия

А. К. Кудряшова

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Санкт-Петербург, Россия

Список литературы

  1. Hessel V., Löwe H., Müller A., Kolb G. Chemical Micro Process Engineering. Processing and Plants. Wiley-VCH Verlag: Weinheim, 2005.
  2. Fukano T., Kariyasaki A., Ide H. Fundamental data of the gas liquid two phase flow//Proceedings of ICMM2005 3rd International Conference on Microchannels and Minichannels, June 13–15, 2005, Toronto, Ontario, Canada.
  3. Dautzenberg F. M., Mukherjee M. Process intensification using multifunctional reactors // Chem. Eng. Sci. 2001. V. 56. P. 251.
  4. Taha T., Cui Z. F. Hydrodynamics of slug flow inside capillaries // Chem. Eng. Sci. 2004. V. 59. P. 1181.
  5. Hessel V. Mikroverfahrenstechnik fuer die chemische Produktion: Reaktorkonzepte, Anwendungen, Scale-up, Kostenanalyse // DECHEMA-Regional-Kolloquium “Neue Entwicklungen in der Mikroreaktionstechnik und Mikrotechnik”. Max-Planck-Institut fuer Dynamik komplexer Technischer Systeme. Magdeburg, 06.12.2006. https://www.maximizemarketresearch.com/market-report/microfluidics-market/164690/
  6. Marre S., Jensen K.F. Synthesis of micro and nanostructures in microfluidic systems // Chem. Soc. Rev. 2010. № 39. 1183; https://doi.org/10.1039/b821324k
  7. 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
  8. Marchisio D.L., Barresi A.A., Garbero M. Nucleation, growth, and agglomeration in barium sulfate turbulent precipitation // AIChE J. 2002. V. 48. No 9. P. 2039. https://doi.org/10.1002/aic.690480917
  9. 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
  10. 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
  11. 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. V. 178. P. 73; https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.12.003
  12. Bałdyga J., Bourne J.R. Simplification of micro-mixing calculations: I. Derivation and application of a new model // Chem. Eng. J. 1989. V. 42. P. 83.
  13. Bałdyga J., Bourne J.R. Turbulent Mixing and Chemical Reactions. Wiley, Chichester, 1999.
  14. 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. Iss. 11. 1859. https://doi.org/10.3390/mi13111859
  15. Abiev R.S., Potekhin D.A. Studying the Quality of Micromixing in a Single-Stage Microreactor with Intensively Swirled Flows // Theor. Found. Chem. Eng 2023. V. 57. № 6. P. 1313. https://doi.org/10.1134/S0040579523060015
  16. Abiev R.Sh., Makusheva I.V., Mironova A.I. Comparison of hydrodynamics and micromixing quality in a two-stage microreactor with intensely swirled flows and in a T-mixer// Chem. Eng. & Proc.: Proc. Intens. 2024. CEP 109829 https://doi.org/10.1016/j.cep.2024.109829
  17. Абиев Р.Ш., Кудряшова А.К. Исследование микросмешения в микрореакторе с встречными интенсивно закрученными потоками // Теор. осн. хим. технол. 2024. Т. 58. № 2. С. 144. https://doi.org/10.31857/S0040357124020021
  18. Schwarzer H.C., Peukert W. Combined experimental/numerical study on the precipitation of nanoparticles // AIChE J. 2004; V. 50(12). P. 3234. https://doi.org/10.1002/aic.10277
  19. Zhang L., Hommes A., Schuring R., Yue J. An experimental study of pressure drop characteristics under single-phase flow through packed bed microreactors//AIChE J. 2025. V. 71(2). Iss. e18640. https://doi.org/10.1002/aic.18640
  20. Liu M.Y., Liu N., Tan J., Su Y.F., Deng W.S., Chen L., Xue R.X., Zhang Q.Y. Micromixer- assisted co-precipitation method for fast synthesis of layered Ni-rich materials for lithium-ion batteries // ChemElectroChem. 2019. Vol. 6(12). P. 3057. https://doi.org/10.1002/celc.201900511
  21. Yang J.W., Lu Y.C. Green synthesis of high-performance Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 with the assist of a microreactor // Ind. Eng. Chem. Res. 2023. V. 62. P. 20259. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c02558
  22. Quak D.H., Sarif M., Opitz P., Lange M., Jegel O., Pham D.H., Koziol M., Pradel L., Mondeshki M., Tahir M.N., Tremel W. Generalized synthesis of NaCrO2 particles for high-rate sodium ion batteries prepared by microfluidic synthesis in segmented flow // Dalton Trans. 2022. V. 51. P. 10466. https://doi.org/10.1039/D1DT04333A
  23. Xie T., Xu C. Numerical and experimental investigations of chaotic mixing behavior in an oscillating feedback micromixer// Chem. Eng. Sci. 2017. V. 171. P. 303. https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.05.040.
  24. Wang J., Zhang Z., Xu X. Chaotic behavior and mixing enhancement in sudden convergent-divergent micromixers with herringbone grooves // Chem. Eng. Sci. 2025. V. 318. Iss. 122181. https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.122181.
  25. Fodor P., Kaufman M. Time evolution of mixing in the staggered herringbone microchannel // Mod. Phys. Lett. B. 2011. V. 25(12-13). P. 1111. https://doi.org/10.1142/s0217984911026826.
  26. Falk L., Commenge J.-M. Performance comparison of micromixers. // Chem. Eng. Sci. 2010. 65. P. 405. https://doi.org/10.1016/j.ces.2009.05.045
  27. Guichardon P., Falk L. Characterisation of micromixing efficiency by the iodide-iodate reaction system. Part I: experimental procedure. // Chem. Eng. Sci. 2000. No. 5. P. 4233. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(00)00068-3
  28. Commenge J.-M., Falk L. Villermaux-Dushman protocol for experimental characterization of micromixers. // Chem. Eng. and Proc. 2011. No. 50. P. 979. https://doi.org/10.1016/j.cep.2011.06.006
  29. Arian E., Pauer W. A comprehensive investigation of the incorporation model for micromixing time calculation. ChERD. 2021. V. 175. P. 296. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.09.010.
  30. Asano S., Maki T., Mae K. Evaluation of mixing profiles for a new micromixer design strategy // AIChE J. 2016. 62. P. 1154. https://doi.org/10.1002/aic.15082.
  31. Микрореактор-смеситель с встречными закрученными потоками. Патент 2741735 РФ. 2021

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).