Математическое моделирование режимов течения потока в микроструктурных системах

• Автор: Хайдаров, Валентин Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Литературный обзор и постановка задачи исследования
2 Разработка математических моделей Т-реактора и микрореактора
2Л Постановка задачи математического моделирования гидродинамики и
массопереноса, осложненного химическим превращением
2.2 Математическая модель процесса смешения в Т-реакторе
2.3 Математическая модель процесса смешения в микрореакторе
2.4 Критерий оценки качества смешения
2.5 Разработка программного модуля для расчета качества смешения
2.6 Алгоритм выбора сетки для численного решения дифференциальных уравнений в частных производных и расчета методом конечных элементов
2.7 Применяемые комплексы программ
2.8 Оценка влияния параметров потока на интенсивность смешения
2.9 Использование числа Рейнольдса для идентификации режима течения
2.10 Методика нахождения оптимального режима течения
3 Результаты исследования
3.1 Алгоритм решения обратной задачи химической кинетики
3.2 Определение константы скорости реакции омыления этилацетата
3.3 Результаты моделирования Т-реактора
3.4 Результаты моделирования микрореактора
3.5 Анализ режимов течения
3.6 Анализ оптимального режима течения с учетом химической реакции
Заключение
Список литературы
ПРИЛОЖЕНИЕ А Листинг программы
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Оценка адекватности полученных результатов
ПРИЛОЖЕНИЕ В Расчетная сетка Т-реактора
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Расчетная сетка микрореактора
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Сведения о практической реализации результатов диссертации

Введение
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 [1].
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 [2], [3], [4], [5].
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.

Авторы работы [92] сфокусировали свое внимание на изучении поведения потока в Т-образном микросмесителе. Было замечено, что при числе Рейнольдса от 240 до 400 в стационарном режиме модель не сходится в связи с периодичностью поведения параметров потока, и для описания процесса необходимо использовать динамическую модель.
В работе [81] исследовано влияние профиля скоростей на входе в Т-смеситель. Полученные результаты для различных размеров при профилях скоростей, соответствующих развитому ламинарному режиму потока и равномерному, представлены на рисунке 29.
Применение компьютерного моделирования для описания и изучения процессов В МИКРОРЕАКТОРАХ
Согласно [93] моделирование - это «опосредованное практическое или теоретическое исследование объекта, при котором непосредственно изучается не сам интересующий нас объект, а некоторая вспомогательная искусственная или естественная система (модель), которая находится в некотором объективном соответствии с познаваемым объектом, способная замещать его в определенных отношениях и дающая при её исследовании информацию о самом моделируемом объекте».
Математическое описание ХТП состоит из [94] [95] [96]:
• математического описания теплообмена;
• математического описания массообмена;
• математического описания структуры потоков;
• математического описания химических превращений.
Математические описания дополняются начальными и граничными
условиями и разного рода ограничениями.
Математические модели ХТП могут включать в себя следующие группы уравнений: