Исследование микросмешения в микрореакторе с встречными интенсивно закрученными потоками

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Выполнено сравнительное исследование микросмешения в микрореакторе со встречными интенсивно закрученными потоками (микро-ВСА-ВЗП) при различных способах подачи потоков с использованием йодид-иодатной методики. Найдена зависимость качества микросмешения (так называемого индекса сегрегации) от удельной скорости диссипации энергии для трех способов подачи растворов в аппарат. В первом и втором способах растворы подаются в тангенциальный и осевой патрубки левой и правой камер аппарата соответственно (соответствует условиям смешения в одноступенчатом микрореакторе микро-ВСА-1). В третьем случае растворы подаются в два тангенциальных патрубка, оба потока интенсивно закручиваются и смешиваются в ограниченном объеме, при этом осевые и окружные компоненты скоростей направлены навстречу друг другу. В третьем случае качество микросмешения оказалось до 10 раз выше (при заданном значении удельной скорости диссипации энергии), чем в первых двух, и до 2400 раз выше, чем в аппарате с магнитной мешалкой. Таким образом, реализация смешения встречных закрученных потоков обеспечивает улучшение качества микросмешения, по сравнению с другими типами микрореакторов с закрученными потоками. Обнаружен эффект снижения показателя степени до ≈ 2.2 в формуле, связывающей удельную скорость диссипации энергии с суммарным расходом растворов, который может быть объяснен взаимным гашением момента количества движения при взаимодействии двух вихрей. Полученные результаты позволяют объяснить влияние условий микросмешения на синтез наноразмерных частиц из растворов.

About the authors

Р. Ш. Абиев

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет); Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Author for correspondence.
Email: abiev.rufat@gmail.com
Russian Federation, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

А. К. Кудряшова

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

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

References

  1. Zhao C.-X., He L., Qiao S.Z., Middelberg A.P.J. Nanoparticle synthesis in microreactors // Chem. Eng. Sci. 2011. V. 66. P. 1463–1479. https://doi.org/10.1016/j.ces.2010.08.039
  2. Nightingale A.M., deMello J.C. Segmented Flow Reactors for Nanocrystal Synthesis // Advanced Materials. 2013. V. 25. № 13. P. 1813–1821. http://dx.doi.org/10.1002/adma.201203252
  3. 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. Art. 117479. http://dx.doi.org/10.1016/j.ces.2022.117479
  4. Kawase M., Suzuki T., Miura K. Growth mechanism of lanthanum phosphate particles by continuous precipitation // Chem. Eng. Sci. 2007. V. 62. P. 4875–4879. https://doi.org/10.1016/j.ces.2007.02.032
  5. Marchisio D.L., Barresi A.A., Garbero M. Nucleation, growth, and agglomeration in barium sulfate turbulent precipitation // AIChE J. 2002. V. 48. № 9. P. 2039–2050. https://doi.org/10.1002/aic.690480917
  6. Marchisio D.L., Rivautella L., Barresi A.A. Design and scale-up of chemical reactors for nanoparticle precipitation // AIChE J. 2006. V. 52. P. 1877–1887. https://doi.org/10.1002/aic.10786
  7. Schwarzer H.-C., Peukert W. Combined Experimental/Numerical Study on the Precipitation of Nanoparticles// AIChE J. 2004. V. 50. P. 3234–3247. https://doi.org/10.1002/aic.10277
  8. 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. Art. 128711, https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128711
  9. 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. 792–821. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.161
  10. 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. 73–94; https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.12.003
  11. Абиев Р.Ш., Сироткин А.А. О влиянии гидродинамических условий на микросмешение в микрореакторах со сталкивающимися струями // Теор. основы хим. технол. 2022. T. 56. C. 11–25 [Abiev R.S., Sirotkin A.A. Effect of Hydrodynamic Conditions on Micromixing in Impinging-Jets Microreactors // Theor Found Chem Eng. 2022. V. 56. P. 9–22. https://doi.org/10.1134/S0040579522010018]
  12. Abiev R. Sh., Sirotkin A.A. Influence of hydrodynamic conditions on micromixing in microreactors with free impinging jets // Fluids, 2020. V. 5. Iss. 4. Art. 179. https://doi.org/10.3390/fluids5040179
  13. Proskurina O.V., Abiev R. Sh., Nevedomskiy V.N. Influence of using different types of microreactors on the formation of nanocrystalline BiFeO3 // Nanosystems: Phys. Chem. Math. 2023. V. 14. № 1. P. 120–126.
  14. 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. Iss. 2. Art. 49. https://doi.org/10.390/inorganics11020049
  15. 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. T. 56. C. 137–147 [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. 141–151. https://doi.org/10.1134/S0040579522020014].
  16. 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, Art. 1859. https://doi.org/10.3390/mi13111859
  17. Алексеенко С.В., Куйбин П.А., Окулов В.Л. Введение в теорию концентрированных вихрей. Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2003. 504 с.
  18. Ахметов В.К., Шкадов В.Я. Численное моделирование вязких вихревых течений для технических приложений: Монография. М: Издательство АСВ. 2009. 176 с.
  19. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. АН УССР. Ин- технической теплофизики. Киев: Наукова думка, 1989. 192 с.
  20. Абдулджалил М.С.А., Россошанский В.В., Миронова Л.М. Оптимизация конструктивных параметров пылеуловителей на встречных закрученных потоках в системах местной вытяжной вентиляции // Инженерный вестник Дона. 2016. № 2. Режим доступа: URL: www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2016/3603
  21. Дорж Д.Ж., Худяков П.Ю., Берг И.А., Жилкин Б.П. Особенности термомеханического взаимодействия встречных газовых струй // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 2. Режим доступа: URL: www.science-education.ru/116–12978
  22. Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах ядерно-энергетических установок. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 288 с.
  23. Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах с завихрителями (Аналитический обзор) // Теплофизика высоких температур. 2003. Т. 41. № 4. С. 587–633.
  24. Fedorenko N. Yu, Abiev R. Sh, Kudryashova Yu.S., Ugolkov V.L., Khamova T.V., Mjakin S.V. et al. Comparative study of zirconia based powders prepared by co-precipitation and in a microreactor with impinging swirled flows // Ceramics International. 2022. V. 48. P. 13006–13013. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.174
  25. Абиев Р.Ш., Здравков А.В., Кудряшова Ю.С., Александров А.А., Кузнецов С.В., Фёдоров П.П. Синтез наноразмерных частиц фторида кальция в микрореакторе с интенсивно закрученными потоками // Журн. неорг. химии. 2021. Т. 66. № 7. С. 929–934 [Abiev R. Sh., Zdravkov A.V., Kudryashova Yu.S., Alexandrov A.A., Kuznetsov S.V., Fedorov P.P. Syntheses of calcium fluoride nanoparticles in a microreactor with intensely swirling flows // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66 (7). P. 1049–1054. https://doi.org/10.1134/S0036023621070020].
  26. Abiev R.S., Sirotkin A.A. 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. 191–201.
  27. Абиев Р.Ш., Потехин Д.А. Исследование качества микросмешения в одноступенчатом микрореакторе с интенсивно закрученными потоками // Теор. основы хим. технол. 2023. Т. 57. № 6. С. 1–16. https://doi.org/10.31857/S0040357123060015
  28. Пат. РФ 2741735 (опубл. 2021). Микрореактор-смеситель со встречными закрученными потоками.
  29. Albadi Y., Ivanova M.S., Grunin L.Y., Martinson K.D., Chebanenko M.I., Izotova S.G. et al. The Influence of co-precipitation technique on the structure, morphology and dual-modal proton relaxivity of GdFeO3 nanoparticles // Inorganics. 2021. V. 9. Iss. 5. Art. 39. https://doi.org/10.3390/inorganics9050039
  30. Teychené S., Rodríguez-Ruiz I., Ramamoorthy R.K. Reactive crystallization: From mixing to control of kinetics by additives // Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2020. V. 46. P. 1–19. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2020.01.003
  31. Falk L., Commenge J.-M. Performance comparison of micromixers // Chem. Eng. Sci. 2010. V. 65. P. 405–411. https://doi.org/10.1016/j.ces.2009.05.045
  32. Batchelor G.K. An introduction to fluid dynamics (Cambridge Mathematical Library). Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2000.
  33. Guichardon P., Falk L. Characterisation of micromixing efficiency by the iodide–iodate reaction system. Part I: experimental procedure // Chem. Eng. Sci. 2000. V. 55. P. 4233. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(00)00068-3
  34. Fournier M.-C., Falk L., Villermaux J. A new parallel competing reaction system for assessing micromixing efficiency – Determination of micromixing time by a simple mixing model // Chemical Engineering Science. 1996. V. 51. № 23. P. 5187–5192, https://doi.org/10.1016/S0009-2509(96)00340-5
  35. Commenge J.-M., Falk L. Villermaux–Dushman protocol for experimental characterization of micromixers // Chem. Eng. and Proc.: Proc. Intens. 2011. V. 50. № 10. P. 979–990. https://doi.org/10.1016/j.cep.2011.06.006.
  36. Jasińska M. Test reactions to study efficiency of mixing // Chem. Process Eng. 2015. V. 36. № 2. P. 171–208.
  37. 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. 83–92.
  38. Bałdyga J., Bourne J.R. Turbulent mixing and chemical reactions. Wiley, Chichester, 1999.
  39. Villermaux J. Micromixing phenomena in stirred reactors. Encyclopedia of fluid mechanics. Houston: Gulf Publishing Company. 1986.

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies