Введение к работе
Современная химическая промышленность характеризуется значительной материале- и энергоемкостью. Химические производства совершенствуются с целью увеличения выхода товарной продукции, и, наоборот, уменьшения побочных продуктов, затрат энергии и минимизации вреда, наносимого окружающей среде. Именно в рамках данного направления развития химической промышленности в 1989 году в г. Карлсруэ был разработан, сконструирован и внедрен первый прототип микроструктурной техники.
Основные принципы, которые положены в основу работы микрореакторов - переход на микроуровень, использование проточных систем взамен классических реакторов периодического и полупериодического действия, увеличение селективности. Четкий контроль температурного режима как следствие больших значений коэффициента теплообмена, равномерное и интенсивное смешение, благодаря малым характерным размерам и продуманной геометрии, а также более высокие допустимые пределы давлений. Всё это позволяет увеличить селективность за счет поддержания оптимальных условий протекания химической реакции, а, значит, свести к минимуму расход реагентов и образование побочных продуктов. В силу малых размеров, относительной простоты самих реакторов и масштабируемости, микроструктурная техника может быть использована как в научной лаборатории для получения микрограммов вещества, так и на непрерывном крупнотоннажном производстве. Это говорит о гибкости производства, достижение которой весьма затруднительно при использовании химических аппаратов стандартных размеров.
Микрореакционная техника является относительно молодой областью химико-технологической науки. В настоящее время происходит поиск новых технологий и конструкционных материалов для изготовления микрореакторов, ведутся исследования в области определения оптимальных геометрий смесителей для интенсификации процесса смешения, а также вариантов структур твердотельных катализаторов, применяемых в микроструктурной технике. Ведутся экспериментальные исследования по проведению реакций различных типов: гомогенные и гетерогенные, одностадийные и многостадийные, а также биохимические.
Таким образом, микроструктурные системы - это бурно развивающееся современное направление химической технологии. Одной из лабораторий, в которой активно изучаются микроструктурные системы, является лаборатория Института Технической химии Технического университета г. Дрездена. В ней представлены установки, включающие микрореакторы различных типов таких фирм как Little Things Factory GmbH и Ehrfeld GmbH, насосы, в том числе безымпульсные, для малых объемных расходов, контрольно-измерительные приборы, а также прочее необходимое для проведения научной работы оборудование. Проводятся исследования, направленные на изучение влияния микросмешения гомогенных и гетерогенных фаз (реакции, протекающие на границе раздела фаз, биохимические реакции, получение наночастиц) в различных микроструктурных реакторах.
В рамках исследований, связанных с интенсификацией химических процессов в микроструктурных реакторах, в реакторе XXL-S-01 фирмы Little Things Factory GmbH были проведены серии опытов по изучению режима течения в микрореакторе и его влияния на протекание реакции омыления этилацетата.
Экспериментально было показано, что средняя скорость протекания реакции в микрореакторе оказывается выше, чем в традиционном реакторе смешения. С другой стороны средняя скорость реакции в микрореакторе претерпевает значительные колебания в зависимости от используемых объемных расходов. Физической причиной этого явления может являться существование различных режимов течения потока в микроструктурных реакторах, оказывающих влияние на процесс смешения и, как следствие, на скорость протекания химического процесса.
В научной литературе можно найти лишь упоминание о существовании различных режимов течения потока в микроструктурных системах. Причем эти исследования затрагивают весьма ограниченный круг геометрий микросмесителей. Научных публикаций в области комплексного изучения влияния режимов течения на интенсивность протекания химических процессов недостаточно. Известные нам публикации носят отрывочный характер.
В настоящей работе предпринята попытка средствами математического моделирования, вычислительного и натурного экспериментов на примере реакции омыления этилацетата изучить влияние режимов течения жидкости на
интенсивность процесса смешения и химических процессов в микроструктурных системах.
Актуальность темы исследования обусловлена тем, что в настоящее время отсутствуют методики и рекомендации по оценке эффективности протекания химических реакций в микрореакторах. Не изучено в достаточной мере влияние гидродинамических режимов течения на интенсивность химических процессов в микрореакторах.
Объектами исследования являются реактор с Т-образным смесителем и каналом круглого сечения (далее - Т-реактор) и микрореактор XXL-S-01 (далее - микрореактор).
Целью работы является разработка программных средств для теоретического анализа режимов течения потока в микроструктурных системах.
Основные задачи
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка математических моделей Т-реактора и микрореактора, описывающих гидродинамические особенности режима потока и массоперенос, с учетом протекания химической реакцией (на примере реакции омыления этил ацетата);
разработка программного модуля для количественной оценки качества процесса смешения, с учетом протекания химической реакцией;
реализация численного метода получения независимого от сетки решения;
исследование методом вычислительного эксперимента режимов течения потока в микроструктурных системах;
разработка алгоритма и метода решения обратной задачи химической кинетики, отражающих влияние различных гидродинамических режимов течения потока на скорость протекания химической реакции.
Научная новизна работы заключается в разработке и исследовании математической модели микрореакторов, описывающей гидродинамические особенности процесса смешения и массоперенос, осложненный химической реакции.
В рамках программного продукта Ansys разработан программный модуль для расчета качества (степени) смешения реагентов в микрореакторах. В основу
расчетного алгоритма положены процедура вычисления поля концентраций и методика оценки качества смешения реагентов, отражающая влияние химической реакции на интенсивность процесса смешения.
Для реализации численного метода решения уравнений математической модели предложен алгоритм, позволяющий рассчитывать поле скоростей и поле концентраций при минимальном количестве элементов сетки. Согласно предложенному алгоритму, размер элементов сетки уменьшается до тех пор, пока изменение концентрации продукта на выходе из реактора станет несущественным по сравнению с предыдущей итерацией.
Методом вычислительного эксперимента исследованы режимы течения потока в микроструктурных системах. Показано наличие трех видов течения -расслоенного, вихревого и хаотического. Определены границы существования каждого вида течения. Описан механизм вихревого режима течения как наиболее эффективного способа повышения производительности микрореакторов.
Разработаны и апробированы алгоритм и метод решения обратной задачи химической кинетики. Алгоритм предусматривает расчет кинетических констант реакции при различных степенях смешения реагентов, определяемых используемым режимом течения потока в микрореакторах.
Практическую ценность работы составляет комплексное исследование научно-технической проблемы интенсификации процесса смешения в микрореакторах, выполненное с применением современных технологий математического моделирования и вычислительного эксперимента. Частными результатами, представляющими практическую ценность, являются:
методика оценки качества процесса смешения реагентов, учитывающая компенсацию снижения концентрации исходного компонента в ходе химической реакции концентрацией продукта реакции;
области (границы) существования различных гидродинамических режимов смешения в микроструктурных системах;
разработанные в диссертации алгоритмы и программные средства как практическое руководство к проведению вычислительного эксперимента с микрореакторной техникой.
Разработанные алгоритмы и программные продукты использованы в учебных и научных целях в Березниковском филиале Пермского
государственного технического университета, Тамбовском государственном техническом университете, Техническом университете г. Дрездена и в ОАО «Полиметалл».
Работа выполнялась в рамках проекта «Математические модели для исследования и оптимизации биокаталитических процессов в микрореакторе с использованием методов интервального анализа», реализуемого в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.; а также в рамках программы «Михаил-Ломоносов» фонда DAAD (2012-2013 гг).
Защищаемые положения:
-
трехмерные математические модели Т-реактора и микрореактора, описывающие гидродинамические особенности процесса смешения реагентов и массоперенос, в комбинации с химической реакцией;
-
программный модуль для расчета качества смешения реагентов в микрореакторах, отражающий влияние химической реакции на интенсивность процесса смешения;
-
реализация эффективного численного решения уравнений математических моделей Т-реактора и микрореактора методом конечных элементов в виде алгоритма расчета поля скоростей и поля концентраций при минимальном количестве элементов сетки;
-
алгоритм и метод решения обратной задачи химической кинетики, предусматривающий расчет кинетических констант при различных степенях смешения реагентов, в зависимости от используемых режимов течения потоков в микрореакторах (на примере реакции омыления этилацетата).
Степень достоверности и апробация результатов
Обоснованность научных результатов обеспечивается применением современных методов и программных продуктов, а также апробацией разработанных алгоритмов и программного модуля (на примере реакции омыления этилацетата).
Достоверность теоретических разработок подтверждена согласием результатов вычислительного эксперимента с экспериментальными данными и проведенной оценкой адекватности модели.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» (Харьков, Харьковский политехнический институт, 2012); «Ресурсосбережение в химической технологии» (Санкт-Петербург, СПбГТИ(ТУ), 2012); научно-практической конференции, посвященной 184-й годовщине образования СПбГТИ(ТУ) (Санкт-Петербург, СПбГТИ(ТУ), 2012); научно-технической конференции «Неделя науки - 2013» (Санкт-Петербург, СПбГТИ(ТУ), 2013).
По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, 2 из которых входят в рекомендуемый ВАК перечень, а также свидетельство о регистрации программного продукта.
Структура и объем диссертации
