Математическое моделирование режимов течения потока в микроструктурных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Хайдаров, Валентин Геннадьевич

• Хайдаров, Валентин Геннадьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Хайдаров, Валентин Геннадьевич

Оглавление

Введение

1 Литературный обзор и постановка задачи исследования

2 Разработка математических моделей Т-реактора и микрореактора

2.1 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 диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование режимов течения потока в микроструктурных системах»

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.

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 процесса 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 ХХЬ-8-01 (далее -микрореактор) [6].

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 омыления этилацетата);

•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 Ашув 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, а также 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:

1) трехмерные математические модели Т-реактора и микрореактора, описывающие гидродинамические особенности процесса смешения реагентов и массоперенос, в комбинации с химической реакцией;

2) программный модуль для расчета качества смешения реагентов в микрореакторах, отражающий влияние химической реакции на интенсивность процесса смешения;

3) 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;

4) 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 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.

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, СПбГЩТУ), 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

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Работа изложена на 125 страницах основного текста, содержит 81 рисунок, 8 таблиц, библиографический список литературы насчитывает 120 наименование.

1 Литературный обзор и постановка задачи исследования

В первой части данной главы рассмотрены преимущества микроструктурной техники, основные виды микроструктурных смесителей. Однако, в большинстве случаев те же устройства (при соблюдении ряда условий) могут быть использованы в качестве химических реакторов. Кратко рассмотрено состояние вопроса в области моделирования массообменных и химических процессов в микроструктурных системах.

Перечислим сначала основные преимущества микроструктурных систем по сравнению со стандартными реакторами того же назначения [7], [8]:

• высокое значение градиентов концентраций, давлений, температур обеспечиваемое малыми линейными размерами;

• высокое значение отношения удельной величины поверхности к объему, что положительно влияет на процессы теплообмена, смешения веществ и каталитические процессы в случае покрытия стенок микрореактора слоем катализатора;

• выдающиеся по своим характеристикам режимы смешения реагентов благодаря возникающим вторичным вихрям;

• относительная простота изготовления, в том числе при использовании неметаллических конструкционных материалов (полимеры, стекло, силикон);

• масштабируемость микрореакционных систем, которая достигается за счет того, что каждый из элементов системы представляет собой отдельный блок. Это позволяет относительно просто адаптировать систему под широкий круг решаемых производственных задач.

• экологичность за счет увеличения конверсии и уменьшения выхода побочных продуктов;

• возможность проведения взрывоопасных реакций, обеспечиваемая путем уменьшения общего выделяемого тепла за счет микрообъемов

используемых реагентов и интенсивного отвода выделяемого тепла за счет большого значения коэффициента теплопередачи.

В связи с тем, что значение числа Рейнольдса в микроструктурных системах относительно мало, а режим течения является ламинарным, смешение в данных системах достигается, в основном, за счет интенсификации процесса диффузии. Основной принцип, обеспечивающий повышение эффективности микроструктурных систем, заключается в создании таких мини/микро/наноканалов, которые позволяют уменьшить путь, преодолеваемый молекулами реагентов до вступления в реакцию.

ВИДЫ МИКРОСМЕСИТЕЛЕЙ На настоящий момент известно большое число различных типов микроструктурных смесителей. Первично их можно классифицировать по наличию внешнего источника энергии. Таким образом можно выделить две основные группы микросмесителей: активные и пассивные.

Активные микросмесители

Рисунок 1 — Основные виды активных микросмесителей

Активные микросмесители используют для интенсификации смешения внешние источники энергии, которые создают неустойчивость на границе раздела двух веществ, тем самым достигая большей поверхности контакта. На рисунке 1 перечислены основные виды активных микросмесителей.

Акустические/ультразвуковые микросмесители Основные принципы проектирования, производства и использования активных микросмесителей непрерывного действия (смешение в которых достигается за счет ультразвуковой вибрации) описаны в работе [9]. Их принцип действия основан на создаваемых пьезометрическим преобразователем акустических волнах, которые приводят к образованию микровихрей в потоке. Последние, в свою очередь, хотя и вызывают неустойчивость в потоке, но при этом резко интенсифицируют процесс смешения (рисунок 2).

Михродихри

Воздушный пузырь

х у - / ^

Акустические Волны

Рисунок 2 - Принцип действия акустического микросмесителя

В верхней части рисунка 3 показано смешение двух веществ при выключенном пьезометрическом преобразователе и объемном расходе 6 мл/мин. Смешение происходит за счет диффузии, что характеризуется очень малой скоростью смешения. При включении преобразователя наблюдается интенсификация смешения. В нижней части рисунка 3 показана зависимость качества смешения от объемного расхода, с которым исходные вещества подаются в систему.

В работе [10] авторами в емкости объемом 50 мкл было достигнуто снижение времени смешения до 6 секунд при использовании эффекта микропоточной кавитации при использовании генераторов, работающих на частоте 5кГц. При смешении реагентов только за счет диффузии на это

потребовался 1 час. Затраты энергии на работу генераторов составили всего около 2 мВт. Используя аналогичный принцип, в работе [11] были получены еще более высокие результаты при частоте генератора 60 кГц. Однако увеличение частоты колебаний привело к нагреву раствора в емкости на 16 °С. Байтом и сотр. [12] был предложен микросмеситель на основе волн Лэмба [13]. В работе [14] описывается микросмеситель, использующий радиочастотный метод воздействия с частотой 50 МГц, что позволило не только смешивать исходные вещества, но и использовать генератор в качестве насоса. Позже в работе [15] был представлен образец микроструктурного канала со встроенными пьезоэлектрическими преобразователями, работающими на частоте 450 МГц.

Позиция

Рисунок 3 - Слева - микрофотография канала при выключенном и включенном пьезопреобразователе; справа - зависимость качества смешения от расположения среза при

различных объемных расходах [9]

Диэлектрофоретические микросмесители Принцип действия данного вида микросмесителей основан на возникновении дипольного момента в электрическом поле. Взаимодействие между дипольными зарядами и электрическим полем создает силу, которая двигает частицы к электроду или в противоположную сторону. Возникающее хаотическое движение в потоке приводит к резкой интенсификации смешения. В работе [16] представлен микросмеситель, в котором поток протекает зигзагом через ряд электродов, в результате чего возникают асимметричные вихри,

х

обеспечивающие хорошее качество смешения. На рисунке 4 показана схема установки, использованная в эксперименте [16].

Вещество 1

Область снятия показаний /

Вещество 2

Электрод

Рисунок 4 - Схема диэлектрофоретического микросмесителя [16]

Пульсационные микросмесители В данном виде микросмесителей используются периодические колебания (пертурбации) давления или электромагнитного поля, что в свою очередь создает дополнительные потоки, приводящие к увеличению качества смешения исходных веществ. Электрокинетические пульсационные микросмесители описаны в работах [17], [18], [19]. Ниу и Ли [20] представили микросмеситель данного вида, пульсации в котором создаются путем дополнительных поперечных потоков. Как видно из схемы установки на рисунке 5, смешение исходных веществ происходит таким образом, что образуются чередующиеся дугообразные волны двух веществ (черным и белым цветами обозначены два смешиваемых вещества).

Периодические | пертрубацни

Вещество 1 Вещество 2

1СС ли

Рисунок 5 - Микрофотография эксперимента в микросмесителе по смешиванию двух веществ

при наличии периодических пертурбаций [20]

Авторами той же статьи была предложена техническая идея создания микросмесителя аналогичного действия, в котором поперечные каналы с

источниками поперечных потоков расположены по всей длине канала, что обеспечивает практически мгновенное смешение.

Термические микросмесители Как известно, молекулярная диффузия определяется кинетической энергией молекул, и скорость процесса диффузии зависит от температуры. Таким образом, тепловая энергия может быть использована для интенсификации процесса смешения. В работе [21 ] предложен и проанализирован способ микросмешения на основе термокаппилярной адвекции, в результате которой создается поперечный температурный градиент. По результатам проведенных экспериментов площадь контакта двух исходных веществ увеличилась в 150 раз за 30 секунд. Авторами работы [22] по аналогичной тематике была предложена микроструктурная система, состоящая из микронасоса типа сопло-диффузор, зигзагообразного канала смешения и фильтра пузырьков из конечного раствора. Схема установки изображена на рисунке 6.

/ Вход для „___ ' \„ ,,

вещества 2 СоПЛ° На«°Р»ая Д"ффу30р

Каналы Канал для для жидкости пузырьков

Выход ДЛЯ ЖИДКОСТИ \фцль Выход для\. > \ пузырьков ^

Канал смешения

Вход для

СУвсшсства 1

камера

г

Рисунок 6 — Схема установки системы на основе термического микросмесителя [22]

Интенсификация смешения достигается путем создания осциллирующего потока с помощью образующихся пузырьков.

В работе [23] описан процесс смешения двух жидкостей в микроканале с Т-смесителем. Показано, что рассматриваемую в работе установку можно условно

разделить на две области с различными температурными характеристиками: непосредственно сам Т-смеситель и последующий микроканал. Помимо этого было установлено влияние объемного расхода на качество процесса смешения, о чем будет подробнее сказано далее.

Магнитно-гидродинамические микросмесители

В микросмесителе данного типа, предложенного Бау и др. [24], путем создания электромагнитного поля, постоянного или переменного. На частицы начинает действовать сила Лоренца, которая образует в потоке с раствором электролита магнитно-гидродинамические вихри и, как результат, происходит интенсификация смешения веществ. Другая установка, предложенная в работе [25], состоит из цилиндрической микроемкости с пристеночными электродами и двумя медными электродами в виде проводов, установленными эксцентрически на нижней поверхности емкости. Сама емкость расположена таким образом, что линии магнитного поля ориентированы параллельно оси емкости. Интенсификация смешения достигается за счет периодического приложения разности потенциалов между одним из проводных электродов и пристеночным и далее между вторым проводным и пристеночным электродами. Наблюдавшиеся траектории движения частиц показали образование хаотических потоков. За счет этого достигаются высокие результаты в смешении исходных веществ через 40 периодов. Ванг и др. [26] разработали микросмеситель, состоящий из микроканала, в котором попеременно действуют магнитные поля противоположных направлений. Результаты их исследований показали, что наибольшая эффективность смешения достигается при высокой частоте колебаний и узком канале, как и следовало ожидать. Схема этой установки представлена на рисунке 7.

В работе [27] представлен микросмеситель аналогичного принципа действия, в котором качество смешения достигает 95% в течение 2 с при длине канала 3 мм.

Вещестбо 1 Вещеагбо 2

[ Электромагнит

Ж Ж Ж И (¡ерешнать

Е Электромагнит

Н

1 1 1 1 /

1 1 1 1

¡2

Рисунок 7 — Магнитный микросмеситель: вверху — схема; внизу — временная диаграмма действия электромагнитного поля различных направлений

Электрокинетические микросмесители В данном виде микросмесителей ключевыми параметрами, влияющими на образующийся электрокинетический поток, являются электропроводность и диэлектрическая проницаемость вещества, а также электромагнитное поле и электрокинетический потенциал на стенках микроканала. В работе [28] разработан Т-образный микросмеситель с барьерами различной длины, выполненными в форме параллелограммов, как показано на рисунке 8.

4'80мкм

Лараме/югратные быступы

Рисунок 8 - Схема микросмесителя с барьерами в форме параллелограммов [28]

При длине барьеров, равной 4/5 высоты, и отсутствии электромагнитного поля качество смешения в поперечном сечении через 2,3 мм достигает 60%, а при наличии магнитного поля - 91.25%.

В работах Сантьяго и др. [29] и [30] были представлены микросмесители, в которых смешивалось два и три исходных потока с помощью Т-смесителя. Ли и

др. [31] изучили микроканал с изменяющимся направлением электродов, что в свою очередь принципиальным образом изменяло линии движения потока в канале. Если в случае шахматного расположения параллельных электродов создается поле скоростей, аналогичное зигзагообразному каналу, то при наклонных электродах начинают образовываться вихри, и поток принимает более хаотический характер.

Исходя из работ, которые были рассмотрены выше, можно сделать вывод, что активные микросмесители используют принцип конвективного смешения, образуя неустойчивость в потоке. Таким образом, повышается площадь контакта смешиваемых веществ. Данный вид смесителей либо содержит подвижные (вибрирующие) компоненты, либо создает пертурбации какого-либо параметра среды (например, магнитного поля или температурного поля).

Пассивные микросмесители В отличие от активных, пассивные микросмесители не имеют подвижных частей. Для их работы не требуются внешние источники энергии, кроме насоса. По принципу действия пассивные микросмесители можно разделить на две подгруппы - рисунок 9.

Рисунок 9 - Виды пассивных микросмесителей

Интенсификация смешения в первой подгруппе аппаратов осуществляется за счет уменьшения характерных размеров, то есть путем уменьшения диффузионного пути веществ. Во второй группе аппаратов повышение качества смешения достигается за счёт образования дополнительных конвективных потоков.

Данный вид смесителей увеличивает поверхность контакта смешиваемых веществ и уменьшает толщины слоев путем разделения потоков на слои, которые потом смешиваются вновь, но в отличной от изначальной последовательности. По сравнению со смесителем, где два потока текут параллельно, при расслоении на п слоев время смешения и необходимая длина канала может быть уменьшена на п2.

Самая простая схема данного вида смесителя представляет собой обычный Т- или У-образный смеситель, однако при таком значении числа Рейнольдса, при котором еще не образуются вихревые структуры в области изгиба. Экспериментальные данные, полученные Вартоном с соавторами [32] показали, что канал с гидравлическим диаметром 67 мкм и давлением 55 атм достаточен для достижения идеального смешения исходных веществ в течение 1 мс после контакта веществ при значении числа Рейнольдса 400-500. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 10 [32].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хайдаров, Валентин Геннадьевич, 2013 год

Список литературы

1. Schubert, К. Herstellung und Test von kompakten Mikrowärmeüberträgern / K. Schubert [et al.] // Chemie Ingenieur Technik.- 1989.- Vol. 61.- P. 172-173.

2. Thomas, A. Untersuchungen zum Einfluss der Mikrovermischung auf die Kinetic von Fluessigphasenreaktionen unter Verwendung der kinetischen Modellierung: Diplomarbeit / A. Thomas. -Dresden: TU Dresden, 2012.

3. Scherpelz, J. Grosser Beleg / J. Scherpelz. -Dresden: TU Dresden, 2012.

4. Schwarz, S. Grosser Beleg / S. Schwarz. -Dresden: TU Dresden, 2012.

5. Ovsyannikova, E. Grosser Beleg / E. Ovsyannikova. -Dresden: TU Dresden, 2013.

6. Веб-сайт фирмы Little Things Factory GmbH [Электронный ресурс] URL: http://www.ltf-gmbh.com/produkte/xxl_s-01 .html

7. Боровинская, E.C. Микроструктурные реактора - концепции, развитие и применение / Е.С. Боровинская [и др.] //Химическая промышленность.- 2008,- Т. 85.- № 5.- С. 1-31.

8. Абиев, Р.Ш. Современное состояние и перспективы применения микротехники в химической промышленности / Р.Ш. Абиев // Российский химический журнал.- 2011.- № 2.- С. 3-8.

9. Ahmed, D. A fast microfluidic mixer based on acoustically driven sidewall-trapped microbubbles / D. Ahmed [et al.] // Microfluidics and Nanofluidics.- 2009.- № 7.- P. 727-731.

10. Liu, R.H. Hybridization enhancement using cavitation microstreaming / R.H. Liu [et al.] // Analytical Chemistry.- 2003.- № 75,- P. 1911-1917.

11. Yang, Z. Ultrasonic micromixer for microfluidic systems / Z. Yang [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical.- 2001.- № 93.- P. 266-272.

12. Tsao, T.R. Electrochemical detection of localized mixing produced by ultrasonic flexural waves Í T.R. Tsao [et al.] I I Ultrasonic Symposium.- 1991.- P. 937-940.

13. Lamb, H. On Waves in an Elastic Plate // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences.-1917.- № 93.- P. 114-128.

14. Rife, J.C. Miniature valveless ultrasonic pumps and mixers / J.C. Rife [et al.] // Sensor and Actuators Journal A: Physical.- 2000.- № 86.- P. 135-140.

15. Yaralioglu, G.G. Ultrasonic mixing in microfluidic channels using integrated transducers / G.G. Yaralioglu [et al.] // Analytical Chemistry.- 2004.- № 76,- P. 3694-3698.

16. Campisi, M. A soft-lithographed chaotic electrokinetic micromixer for efficient chemical reactions in lab-on-chips / M. Campisi [et al.] // Journal of Micro-Nano Mechatronics.- 2009.- № 5.- P. 69-76.

17. Chen, C.K. Electrokinetically driven flow mixing utilizing chaotic electric fields / C.K. Chen [et al.] // Microfluidics and Nanofluidics.- 2008.- № 5.- P. 785-793.

18. Lim, С. Mixing enhancement in microfluidic channel with a constriction under periodic electro-osmotic flow / C. Lim [et al.] // Biomicrofluidics.- 2010.- № 4,- P. 1-18.

19. Lee, C.Y. Electrokinetically driven active micro-mixers utilizing zeta potential variation induced by field effect / C.Y. Lee [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering.- 2004.- № 14,- P. 1390-1398.

20. Niu, X. Efficient spatial-temporal chaotic mixing in microchannels / X. Niu [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering.- 2003.- № 13.- P. 454-462.

21. Darhuber, A.A. Microfluidic actuation by modulation of surface stresses / A.A. Darhuber [et al.] // Applied Physics Letters.- 2003.- № 82.- P. 657-659.

22. Tsai, J.H. Active microfluidic mixer and gas bubble filter driven by thermal bubble micropump / J.H. Tsai [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical Journal.- 2002.- № 97-98.- P. 665-671.

23. Xu, B. Thermal mixing of two miscible fluids in a T-shaped microchannel / B. Xu [et al.] // Biomicrofluidics.- 2010.- № 4.. p. 1-13.

24. Bau, H.H. A minute magneto hydro dynamic (MHD) mixer / H.H. Bau [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical.- 2001.- № 79.- P. 207-215.

25. Yi, M. A minute magneto hydro dynamic (MHD) chaotic strrer / M. Yi [et al.] // Journal of Fluid Mechanics.- 2002.- № 468.- P. 153-177.

26. Wang, Y. A rapid magnetic particle driven micromixer / Y. Wang [et al.] // Microfluids & Nanofluids.- 2008.- № 4.- P. 375-389.

27. Wen, C.Y. Rapid magnetic microfluidic mixer utilizing AC electromagnetic field / C.Y. Wen [et al.] // Electrophoresis.- 2009.- № 30,- P. 4179-4186.

28. Tai, C.H. Micromixer utilizing electrokinetic instability induced shedding effect / C.H. Tai [et al.] // Electrophoresis.- 2006.- № 29,- P. 4982-4990.

29. Chen, C.H. Convective and absolute electrokinetic instability with conductivity gradients / C.H. Chen [et al.] // Journal of Fluid Mechanics.- 2005.- № 524,- P. 263-303.

30. Posner, J.D. Convective instability of electrokinetic flows in a cross-shaped microchannel / J.D. Posner [et al.] // Journal of Fluid Mechanics.- 2006.- № 555.- P. 1-42.

31. Lin, J.L. Active micro-mixers utilizing a gradient zeta potential induced by inclined buried shielding electrodes / J.L. Lin [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengingeering.-2006.- №16.- P. 757-768.

32. Wong, S.H. Micro T-mixer as rapid mixing micromixer / S.H. Wong [et al.] // Sensors and Actuators Journal B: Chemical.- 2004.- № 100.- P. 359-379.

33. Nguyen, N. Micromixers: fundamentals, design and fabrication -Norwich: William Andrew, 2008.

34. Tofteberg, T. A novel passive micromixer: Lamination in a planar channel system / T. Tofteberg [et al.] // Microfluidics and Nanofluidics.- 2010.- № 8.- P. 209-215.

35. He, B. A picoliter-volume mixer for microfluidic analytical systems / B. He [et al.] // Analytical Chemistry Journal.- 2001.- № 73.- P. 1942-1947.

36. Commenge, J.M. Optimal deign for flow uniformity in microchannel reactors / J.M. Commenge [et al.] // AIChE Journal.- 2000.- № 48.- P. 345-358.

37. Melin, J. A fast passive mixer for microfluidic analytical systems / J. Melin [et al.] // Lab on a Chip.- 2004,- № 4,- P. 214-219.

38. Dean, W.R. Note on the motion of fluid in a curved pipe / W.R. Dean // Philosophical Magazine.-1927.-№20.- P. 208-223.

39. Dean, W.R. The streamline motion of fluid in a curved pipe / W.R. Dean // Philosophical Magazine.- 1928.- № 5.- P. 673-695.

40. Bothe, D. Fluid mixing in a T-shaped micro-mixer / D. Bothe [et al.] // Chemical Engineering Science.- 2006.- № 61.- P. 2950-2958.

41. Kockmann, N. Silicon microstructures for high throughput mixing devices / N. Kockmann [et al.] // Microfluidics and Nanofluidics.- 2006.- № 4.- P. 327-335.

42. Mengeaud, V. Mixing processes in a zigzag microchannel: Finite element simulations and optical study / V. Mengeaud [et al.] //Analytical Chemistry.- 2002.- № 174.- P. 4279-4286.

43. Asako, Y. Finite-volume solutions for laminar flow and heat transfer in a corrugated duct / Y. Asako [et al.] // Journal of Heat Transfer.- 1987.- № 109.- P. 627-634.

44. Xin, R.C. Numerical prediction of laminar flow and heat transfer in wavy channels of uniform

cross-sectional area / R.C. Xin [et al.] //Numerical Heat Transfer.- 1988.- № 14.- P. 465-481.

45. Hong, C.C. A novel in-plane passive microfluidic mixer with modified Tesla structure / C.C. Hong [et al.] // Lab on a Chip.- 2003.- № 4.- P. 109-113.

46. Jenssen, C. Microfluidic research: mixing effectiveness of modified tesla structures: Undergraduate research project -Washington: University of Washington, 2008.

47. Vijaeyendran, R.A. Evaluation of a three-dimensional micromixer in a surface-based biosensor / R.A. Vijaeyendran [et al.] // Langmuir.- 2003.- № 19.- P. 1824-1828.

48. Liu, Y.Z. Two-fluid mixing in a microchannel / Y.Z. Liu [et al.] // Internationa Journal of Heat Fluid Flow.- 2004.- № 25.- P. 986-995.

49. Liu, R.H. Passive mixing in a three-dimensional serpantine microchannel / R.H. Liu [et al.] // Journal of Microelectromechanical Systems.- 2000.- № 9.- P. 190-197.

50. Kim, D. A serpantine laminating micromixer combining splitting/recombination and advection / D. Kim [et al.] // Lab on a Chip.- 2005.- № 5.- P. 739-747.

51. Xia, H.M. Chaotic micromixers using two-layer crossing channels to exhibit fast mixing at low reynolds numbers / H.M. Xia [et al.] // Lab on a chip.- 2005.- № 5.- P. 748-755.

52. Chang, S.H. Static micromixers using alternating whirls and lamination / S.H. Chang [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering.- 2005.- № 15.- P. 1397-1405.

53. Chen, Z. Performance analysis of a folding flow micromixer / Z. Chen [et al.] // Microfluidics and Nanofluidics.- 2009.- № 7,- P. 783-794.

54. Kang, T.G. A chaotic serpentine mixer efficient in the creeping flow regime: form design concept to optimization / T.G. Kang [et al.] // Microfluidics and Nanofluidics.- 2009.- № 6.- P. 763-774.

55. Dusenbeiy, D.B. Living at Micro Scale: The unexpected physics of being small -Harvard: Harvard University Press, 2009.

56. Keoschkerjan, R. Novel multifunctional microreaction unit for chemical engineering / R. Keoschkerjan [et al.] // Chemical Engineering Journal.- 2004,- № 101.- P. 469-475.

57. Kim, D.S. A barrier embedded chaotic micromixer / D.S. Kim [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering.- 2004.- № 14.- P. 798-805.

58. Kim, D.S. A barrier embedded Kenics micromixer / D.S. Kim [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering.- 2004.- № 14.- P. 1294-1301.

59. Singh, M.K. Understanding and optimizing the SMX static mixer / M.K. Singh [et al.] // Macromolecular Rapid Communications.- 2009.- № 30.- P. 362-376.

60. Johnson, T.J. Rapid microfluidic mixing / TJ. Johnson [et al.] // Analytical Chemistry.- 2002.- № 74,- P. 4551.

61. Johnson, T.J. Characterization and optimization of slanted well designs for microfluidic mixing under electroosmotic flow / T.J. Johnson [et al.] // Lab on a Chip.- 2002.- № 2.- P. 135-140.

62. Yang, J.T. Geometric effects on fluid mixing in passive grooved micromixers / J.T. Yang [et al.] // Lab on a Chip.- 2005.- № 5.- P. 1140-1147.

63. Cookson, A.N. Computational investigation of helical pipe geometries from a mixing perspective: PhD thesis -London: Imperial College London, 2009.

64. Howell, P.B. Design and evaluation of a dean vortex-based micromixer / P.B. Howell [et al.] // Lab on a Chip.- 2004,- № 4.- P. 663-669.

65. Sudarsan, A.P. Fluid mixing in planar spiral microchannels / A.P. Sudarsan [et al.] // Lab on a Chip.- 2006.- № 6.- P. 74-82.

66. Sands, M. The investigation of an equilibrium dependent reaction for the formation of enamines in a microchemical system / M. Sands [et al.] // Lab on a Chip.- 2001.- № 1.- P. 64-65.

67. Garcia-Egido, E. A Hantzsch synthesis of 2-aminothiazoles performed in a heated microreactor system / E. Garcia-Egido [et al.] // Lab on a Chip.- 2002.- № 2.- P. 31-33.

68. Wiles, C. The aldol reaction of silyl enol ethers within a micro reactor / C. Wiles [et al.] // Lab on a Chip.- 2001.- № 1.- P. 100-101.

69. Fernandez-Suarez, M. Synthesis of a three-member array of cycloadducts in a glass microchip under pressure driven flow / M. Fernandez-Suarez [et al.] // Lab on a Chip.- 2002.- № 2.- P. 170174.

70. Asano, K. Pauson-Khand reactions in a photochemical flow microreactor / K. Asano [et al.] // Organic letters.- 2013.- № 15.- P. 2398-1401.

71. Greenway, G.M. The use of novel microreactor for high throughput continuous flow organic synthesis / G.M. Greenway [et al.] // Sensors and Actuators Journal B: Chemical.- 2000.- № 63.-P. 153-158.

72. Kim, K.J. Crystal growth in drowning-out crystallization using T-mixer / K.J. Kim // Chemical Engineering and Technology.- 2006.- № 29.- P. 1267-1272.

73. Koehler, J.M. Formation of Au/Ag nanoparticles in a two step micro flow-through process / J.M. Koehler [et al.] // Chemical Engineering and Technology.- 2007.- № 30.- P. 347-354.

74. Zhao, C.X. Nanoparticle synthesis in microreactors / C.X. Zhao [et al.] // Chemical Engineering Science.- 2011.- № 66.- P. 1463-1479.

75. Kueck, A. Green nanoparticle production using micro reactor technology / A. Kueck [et al.] // Journal of Physics: Conference Series.- 2011.- № 304.- P. 1-10.

76. Боровинская, E.C. Перспективы интенсификации гетерогенных процессов в микрореакторах / Е.С. Боровинская [и др.] // Российский химический журнал.- 2011.- № 2.-С. 78-84.

77. Borovinskaya, E.S. Experimental investigation and modeling approach of the phenylacetonitrile alkylation process in a microreactor / E.S. Borovinskaya [et al.] // Chemical Eningeering and Technology.- 2009.- № 6.- P. 919-925.

78. Боровинская, E.C. Экспериментальные исследования и моделирование процесса жидкофазного алкилирования фенилацетонитрила в микроструктурном реакторе / Е.С. Боровинская [и др.] // Известия СПбГТИ(ТУ).- 2007.- № 2.- С. 62-65.

79. Боровинская, Е.С. Математические модели и комплексы программ для исследования и оптимизации жидкофазных реакций в микрореакторах: дисс. канд. техн. наук: 05.13.18 / Е.С. Боровинская. -СПб: СПбГТИ(ТУ), 2008.

80. Yoshida, J. Enhancement of chemical selectivity by microreactos / J. Yoshida [et al.] // Chemical Engineering Technology.- 2005.- № 126.- P. 956-961.

81. Galetti, C. Effect of inlet conditions on the engulfment pattern in a T-shaped micro-mixer / C. Galetti [et al.] // Chemical Engineering Journal.- 2012.- № 185-186.- P. 300-313.

82. Хайдаров, В.Г. Трёхмерная модель миниреактора для проведения реакции омыления / В.Г. Хайдаров [и др.] // Известия СГУ.- 2013.- № 1.- С. 321-330.

83. Хайдаров, В.Г. Моделирование реакций омыления этилацетата и изопропилацетата с учетом гидродинамики и трехмерной модели реактора в Ansys Fluent / В.Г. Хайдаров [и др.] // Известия СПбГТИ(ТУ).- 2013.- № 19.- С. 93-96.

84. Bothe, D. Computational analysis of an instantaneous chemical reaction in a T-microreactor / D. Bothe [et al.] // AlChe Journal.- 2010.- № 56.- P. 1406-1415.

85. Boekenkamp, D. Microfabricated silicon mixers for submillisecond quench-flow analysis / D. Boekenkamp [et al.] // Analytical Chemistry Journal.- 1998.- № 70.- P. 232-236.

86. Beebe, D.J. Physics and application of microfluidic in biology / D.J. Beebe [et al.] // Annu Rev

Biomed.- 2002.- Vol. 4,- P. 261-286.

87. Hestroni, G. Fliud flow in micro-channels / G. Hestroni [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer.- 2005.- № 48.- P. 1982-1998.

88. Engler, M. Convective Mixing and Its Application to Micro Reactors / M. Engler [et al.] // A SME 2nd International Conference on Microchannels and Minichannels.- 2004.- P. 781-788.

89. Soleymani, A. Numerical and experimental investigations of liquid mixing in T-type micromixers / A. Soleymani [et al.] // Chemical Engineering Journal.- 2008.- № 125.- P. 219-228.

90. Minakov, A.V. Mixing in a T-type Micromixer at High Reynolds Numbers / A.V. Minakov [et al.] // 3rd Micro and Nano Flows Conference.- 2011.- P. 1-8.

91. Reddy Cherlo, S.K. Effect of depth on onset of engulfment in rectangular micro-channels / S.K. Reddy Cherlo [et al.] // Chemical Engineering Science.- 2010.- № 65.- P. 6486-9490.

92. Dreher, S. Characterization of laminar transient flow regimes and mixing in T-shaped micromixers / S. Dreher [et al.] // Heat Transfer Engineering Journal.- 2009.- № 30.- P. 91-100.

93. Новик, И.Б. О философских вопросах кибернетического моделирования / И.Б. Новик. -Москва: Знание, 1964.

94. Системный анализ и принятие решений. Компьютерное моделирование объектов химической технологии в Mathcad. ПРАКТИКУМ к лабораторным работам по учебным дисциплинам "Информатика" и "Системный анализ химических технологий": учебное пособие. / В .А. Холодное [и др.]. -СПб: СПбГТИ(ТУ), 2008. -91 с.

95. Системный анализ и принятие решений. Математическое моделирование гидродинамической структуры однофазных потоков в химических реакторах. Учебное пособие / В .А. Холодное [и др.]. -СПб: СПбГТИ(ТУ), 2009. -35 с.

96. Абиев, Р.Ш. Гидродинамика снарядного течения газожидкостной системы в капиллярах: сравнение теории и эксперимента / Р.Ш. Абиев [и др.] // Теоретические основы химической технологии.- 2011.- Т. 45.- № 3.- С. 241-263.

97. Хайдаров, А.Г. Исследование чувствительности кинетических параметров биокаталитического процесса с использованием интервального метода / А.Г. Хайдаров [и др.] // Известия СПбГТЩТУ).- 2012.- № 14.- С. 112-114.

98. Хайдаров, А.Г. Использование системы wolfram mathematica для оценивания чувствительности значений констант скоростей в системх уравнений химической кинетики на примере окисления метана / А.Г. Хайдаров [и др.] // Известия СП6ГТИ(ТУ).- 2010.- № 4.- С. 99-109.

99. Боровинская, Е.С. Интервальное оценивание кинетических параметров сложного процесса в микроструктурном реакторе / Е.С. Боровинская // Известия СПбГТИ(ТУ).- 2010.- № 9.- С. 78-81.

100. Anderson, J.D. Computational fluid dynamics. The basics with applications / J.D. Anderson. -New York: McGraw-Hill, Inc., 1995.

101. Ansorge, R. Mathematical Models of Fluid Dynamics / R. Ansorge [et al.]. -Weinheim: Wiley-VCH, 2009.

102. Batchelor, G.K. An introduction to fuid dynamics / G.K. Batchelor. -Cambridge: Cambridge University Press, 1973.

103. Glatzel, T. Computational fluid dynamics (CFD) software tools for microfluidic applications - A case study / T. Glatzel [et al.] // Computers & Fluids.- 2008.- № 37.- P. 218-235.

104. Hussong, J. Numerical study on the flow physics of a T-shaped micro mixer / J. Hussong [et al.] // IUTAM Symposium on Advances in Micro- and Nanofluidics.- 2009,- № 15.- P. 191-205.

105. Lide, D.R. Handbook of Chemistry and Physics / D.R. Lide. -Boca Ratn: Taylor & Francis Ltd.,

2013.

106. Kestin, J. Viscocity of Liquid Water in the Range -8 to 150 С / J. Kestin [et al.] // Journal of Physical and Chemical Reference Date.- 1978,- № 7.- P. 941-948.

107. Holz, M. Temperature-dependent self-diffusion coefficients of warer and six selected molecular liquids for calibration in accurate HNMR PFG measurements / M. Holz [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics.- 2000.- № 20.- P. 4740-4742.

108. Das, K. Kinetic Studies on Saponification of Ethyl Acetate sing an Innovatve Conductivity-Monitoring Instrument with a Pulsating Sensor / Kuheli Das [et al.] // International Journal of Chemical Kinetics.- 2011.- № 43-11,- P. 648-656.

109. Danckwerts, P.V. The Definition and Measurment of Some Charactersitics of Mixtures / P.V. Danckwerts // Applied Science Research.- 1952.- P. 279-296.

110. Chorin, A.J. Numerical Solution of Navier-Stokes Equations / A.J. Chorin // Mathematics of Computation.- 1968.- № 22.- P. 745-762.

111. Patankar, S.V. A Calculation Procedure for Hear, Mass and Momentum Transfer in Three-dimensional Parabolic Flows / S.V. Patankar [et al.] // International Journal Heat Mass Transfer.-1972.-Vol. 15.- P. 1787.

112. ANSYS - Simulation Driven Product Development [Электронный ресурс] URL: ansys.com

113. Басов, К. ANSYS для конструкторов / К. Басов. -Москва: ДМК Пресс, 2008.

114. Smith, Н. Kinetics of the Saponification of the Ethyl Esters of Normal Aliphatic Acids / H. Smith [et al.] // Journal of the American Chemical Society.- 1939.- № 61.- P. 1172-1175.

115. Tsujikawa, H.The Reaction Rate of the Alkaline Hydrolysis of Ethyl Acetate / H. Tsujikawa [et al.] // Bulletin of the Chemical Society of Japan.- 1966.- № 39.- P. 1837-1842.

116. Schneider, M.A. Determination of the kinetic parameters of fast exothermal reactions using a noverl microreactors-based calorimeter/ M.A. Schneider [et al.] // Chemical Engineering Journal.-2005.-№115.-P. 73-83.

117. Reschetilowski, W. Technisch-Chemisches Praktikum / W. Reschetilowski. -Weinheim: Wiley VCH, 2002.

118. Terry, E. The Coefficient of Saponification of Ethyl Acetate by Sodium Hydroxide/ E. Terry [et al.] // Journal of the American Chemical Society.- 1927.- № 49.- P. 2216-2222.

119. Gramer, L. Kelvin-Helmholtz Instabilities / L. Gramer. -Miami: Miami University, 2007.

120. Cushman-Roisin, B. Intoduction to Geophysical Fluid Dynamics: Physical and Numerical Aspects / B. Cushman-Roisin [et al.]. -Oxford: Academic Press, 2011.

Приложение А Листинг программы Описание переменных

LIBRARY: CEL:

&replace EXPRESSIONS: ActEn = 39551.43584[J/mol]

DiffCoeff = 1.635e-8[mA2/s]*(Temp/215.05[K]-l)A2.063 Flowrate = VolumeFlowRate * dens

IntOfMix = ((Ethyl Acetate.Molar Concentration+Sodium Acetate.Molar Concentration)*(Sodium Hydroxide.Molar Concentration+Ethyl Alcohol.Molar Concentration))/2500[molA2/mA6] PreExp = 1338.76 [mA3 molA-l sA-l] Temp = 290.15 [K] VolumeFlowRate = 5 [mmA3 sA-l] dens = 1000[kg/mA3]

reaction rate = PreExp*exp(-ActEn/(8.314472[mA2 kg sA-2 molA-l KA-l]*Temp)) visco = l[Pa*s]/(562+17[KA-l]*(Temp-273.15[K])+0.2[KA-2]*(Temp-273.15[K])A2-0.00093[KA-3]*(Temp-273.15[K])A3+0.0000016[KA-4]*(Temp-273.15[K])A4)

END END END

Математическая модель

&replace FLOW: Flow Analysis 1 ANALYSIS TYPE: Option = Steady State EXTERNAL SOLVER COUPLING:

Option = None END END

DOMAIN: Default Domain Modified Coord Frame = Coord 0 Domain Type = Fluid Location = Body BOUNDARY: Inletl Boundary Type = INLET Interface Boundary = Off Location = Inletl BOUNDARY CONDITIONS: COMPONENT: Ethyl Acetate Mass Fraction = 0.0088 Option = Mass Fraction END

COMPONENT: Ethyl Alcohol Mass Fraction = 0.0 Option = Mass Fraction END

COMPONENT: Sodium Acetate Mass Fraction = 0.0

Option = Mass Fraction END

COMPONENT: Sodium Hydroxide Mass Fraction = 0.0 Option = Mass Fraction END

FLOW DIRECTION: Option = Normal to Boundary Condition END

FLOW REGIME:

Option = Subsonic END

MASS AND MOMENTUM: Mass Flow Rate = Flowrate/2 Option = Mass Flow Rate END END END

BOUNDARY: Inlet2 Boundary Type = INLET Interface Boundary = Off Location = Inlet2 BOUNDARY CONDITIONS: COMPONENT: Ethyl Acetate Mass Fraction = 0.0 Option = Mass Fraction END

COMPONENT: Ethyl Alcohol Mass Fraction = 0.0 Option = Mass Fraction END

COMPONENT: Sodium Acetate Mass Fraction = 0.0 Option = Mass Fraction END

COMPONENT: Sodium Hydroxide Mass Fraction = 0.004 Option = Mass Fraction END

FLOW DIRECTION: Option = Normal to Boundary Condition END

FLOW REGIME:

Option = Subsonic END

MASS AND MOMENTUM: Mass Flow Rate = Flowrate/2 Option = Mass Flow Rate END END END

BOUNDARY: Outlet Boundary Type = OUTLET Interface Boundary = Off Location = Outlet BOUNDARY CONDITIONS: FLOW REGIME:

Option = Subsonic END

MASS AND MOMENTUM: Mass Flow Rate = Flowrate Option = Mass Flow Rate END END END

BOUNDARY: Symmetry Boundary Type = SYMMETRY Interface Boundary = Off Location = Symmetry END

BOUNDARY: Wall Boundary Type = WALL Create Other Side = Off Interface Boundary = Off Location = Wall BOUNDARY CONDITIONS: MASS AND MOMENTUM: Option = No Slip Wall END END END

DOMAIN MODELS: BUOYANCY MODEL: Option = Non Buoyant END

DOMAIN MOTION: Option = Stationary END

MESH DEFORMATION: Option = None END

REFERENCE PRESSURE:

Reference Pressure = 1 [atm] END END

FLUID DEFINITION: Fluid 1 Material = Mixture Option = Material Library MORPHOLOGY: Option = Continuous Fluid END END

FLUID MODELS:

ADDITIONAL VARIABLE: Additional Variable 1 Additional Variable Value = IntOfMix Option = Algebraic Equation END

COMBUSTION MODEL: Option = Finite Rate Chemistry END

COMPONENT: Ethyl Acetate Kinematic Diffusivity = DiffCoeff Option = Transport Equation END

COMPONENT: Ethyl Alcohol Kinematic Diffusivity = DiffCoeff Option = Transport Equation END

COMPONENT: Sodium Acetate Kinematic Diffusivity = DiffCoeff Option = Transport Equation END

COMPONENT: Sodium Hydroxide Kinematic Diffusivity = DiffCoeff Option = Transport Equation END

COMPONENT: Water Option = Constraint END

HEAT TRANSFER MODEL: Fluid Temperature = Temp Option = Isothermal END

THERMAL RADIATION MODEL:

Option = None END

TURBULENCE MODEL:

Option = Laminar END END END

LIBRARY: &replace REACTION: Saponification Additional Materials List = Water Object Origin = User Option = Single Step COMBUSTION MODEL:

Option = Finite Rate Chemistry END

FORWARD REACTION RATE: Option = Arrhenius Pre Exponential Factor = PreExp

Temperature Exponent = 0 REACTION ACTIVATION: Activation Energy = ActEn Option = Activation Energy END END

PRODUCTS: Materials List = Ethyl Alcohol,Sodium Acetate Option = Child Materials CHILD MATERIAL: Ethyl Alcohol Option = Stoichiometric Stoichiometric Coefficient = 1 END

CHILD MATERIAL: Sodium Acetate Option = Stoichiometric Stoichiometric Coefficient = 1 END END

REACTANTS: Materials List = Ethyl Acetate,Sodium Hydroxide Option = Child Materials CHILD MATERIAL: Ethyl Acetate Option = Stoichiometric Stoichiometric Coefficient =1.0 END

CHILD MATERIAL: Sodium Hydroxide Option = Stoichiometric Stoichiometric Coefficient = 1.0 END END END END

Настройки решателя

INITIALISATION: Option = Automatic INITIAL CONDITIONS: Velocity Type = Cartesian CARTESIAN VELOCITY COMPONENTS: Option = Automatic END

COMPONENT: Ethyl Acetate Mass Fraction = 0.0 Option = Automatic with Value END

COMPONENT: Ethyl Alcohol Option = Automatic END

COMPONENT: Sodium Acetate

Option = Automatic END

COMPONENT: Sodium Hydroxide Option = Automatic END

STATIC PRESSURE: Option = Automatic END END END

OUTPUT CONTROL: MONITOR OBJECTS: MONITOR BALANCES:

Option = Full END

MONITOR FORCES:

Option = Full END

MONITOR PARTICLES:

Option = Full END

MONITOR POINT: Monitor Point 1 Coord Frame = Coord 0

Expression Value = areaAve(Additional Variable 1 )@Outlet Option = Expression END

MONITOR RESIDUALS:

Option = Full END

MONITOR TOTALS:

Option = Full END END

RESULTS: File Compression Level = Default Option = Standard END END

SOLUTION UNITS: Angle Units = [rad] Length Units = [mm] Mass Units = [kg] Solid Angle Units = [sr] Temperature Units = [K] Time Units = [s] END

SOLVER CONTROL: ADVECTION SCHEME:

Option = High Resolution END

CONVERGENCE CONTROL:

Length Scale Option = Aggressive Maximum Number of Iterations = 500 Minimum Number of Iterations = 50 Timescale Control = Auto Timescale Timescale Factor = 10 END

CONVERGENCE CRITERIA: Conservation Target = 0.001 Residual Target = 0.00001 Residual Type = RMS END

DYNAMIC MODEL CONTROL:

Global Dynamic Model Control = Off END END END

Приложение Б Оценка адекватности полученных результатов

Таблица Б.1 - Сравнительная таблица кажущихся констант скорости реакции омыления этилацетата в микрореакторе при Т=17 °С, полученных моделирование с экспериментальными данными

мл/мин кмодел л/(моль-с) кэксп л/(моль-с) кмодел_норм л/(моль-с) кэксп_норм л/(моль-с)

0,8 0,044053 0,080741 0,55365 0,720654

1 0,045611 0,090219 0,573233 0,805251

1,5 0,046248 0,095134 0,581238 0,849113

2 0,046712 0,101082 0,587065 0,902201

3 0,061597 0,103750 0,774144 0,926016

4,5 0,068872 0,111920 0,865572 0,998943

6 0,070929 0,102286 0,891427 0,912955

8 0,072733 0,099422 0,914104 0,887387

10 0,074486 0,102077 0,936137 0,911087

15 0,079568 0,112039 1 1

21 0,078543 0,104515 0,987114 1,042132

Коэффициент детерминации Я =0,79

1-2 1

0 «

я

3

1

и

к

сз к X сз Ш о м 8

2 а, о

Я

я &

о

Си §

о

сз

н к

и

х §

0,8 -0,6 -0,4 -0,2 -

▲

▲

• моделирование а эксперимент

—1— ю

—1— 15

—I— 20

25

Объемный расход, мл/мин

Рисунок Б.1 — Зависимость нормализованной кажущейся константы скорости реакции омыления этилацетата от объемного расхода в микрореакторе при Т=17 °С

jHjgg^igffl

nitwaJfffiriiH H uS |tj|i liM UlM 4 ff;

Mlt}jtllliiullli|lHTrt:

fcjfctta

jtijt tuinjit it {tmgmfctriwji i 111 h | ii i it |j| | ill)

pfpimi' i ^

...; ....' .. ' ' : ' ■ ;!v -:'. '■■ '••.'...

0 002 im)

0 0015

eud A

endbi B, C, D

вид С

!

г

т

— — -

II -- 1

щ _ _ - W

=±3 =L> у

»_ чпссл_йла» ЯП

виды D, Е

Hpt-- м

Ь: =tP

V

ч

У X

vi - Ф У

V 4 it У

о ««о» tuer çw»

■ ——---- "7

8ЯШ еамв»

Приложение Д Сведения о практической реализации результатов

диссертации

TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN

Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Fachrichtung Chemie und Lebensmittelchemie Professur für Technische Chemie

Technische Universität Dresden, 01062 Dresden

В Диссертационный Совет Санкт-Петербургского государственного технологического института (Технического университета) 190013, г, Санкт-Петербург Московский проспект 26

Prof. Prof, h c, Dr. rer. nat. habtl.

Wladimir Reschetilowski

Institutsdirektor

Bearbeiter. Ina Wittig

Telefon: [phone]

Tetef**: 0351463-32658

E-Mail; wladimir.reschetilowskiöchemie tu-dresden de

Dresden, 2, Oktober 2013

АКТ О ВНЕДРЕНИИ

Результатов диссертационных исследований аспиранта кафедры системного анализа Санкт-Пстсрбургского технологического института (Технического университета)

Хайдарова В.Г,

Результаты диссертационных исследований аспиранта кафедры системного анализа Санкт-Петербургского технологического института (Технического университета) Хайдарова Валентина Геннадьевича в виде алгоритмов и програмных продуктов, предназначенных для моделирования и анализа режимов течения потока в микрореакторах с учетом химической реакции, внедрены в учебный и научный процесс Института технической химии Технического университета г, Дрездена для проведения лабораторных работ и научных исследований в области микроструктурной техники.

Директор Института технической химии Технического университета г. Дрездена

р Решетилояский В.П.

Postadresse (BriefeI TU Dresden 01062 Dresden

Postadresse ¡Pakete u.i) TU Dresden Helmhol tzstuße 10 01069 Dresden

Besucheradresse Sekretariat: Mommsenstraße 4 2i. 215

Zufahrt Internet

Rampe Momm- http //www itcdd de

senstraße, Aufzug

закрутог ай iüQi СРИ1Г Oft ЦЕСТвО толиуеталл инжиниринг зао тюпимрталл l'hjns'hv'hlhf

2,пр Народного Ополчения Сйн<т-Пвтерб>рг, РОССИЯ 198216

Тел [phone]?2 155S Факс (812; 753 63 76 www posymotaf rj

ими тгс&гжгю

ЛПП TSiAÖtOOt

& С 41") '81Ö?S5?401S?C98

в ct eii>o-ja>minov См>«-> COf»fe>«)5 РФ

f Сан«.<-'Ч ir-pOvp-

Ьйк 04 iC30üb3

». 5 30 s<l is !&5<х;0р"0саел j

АКТ

о внедрении научных и практических результатов диссертации Хайдарова Валентина Геннадьевича на тему «Математическое моделирование и расчет режимов течения потока в микроструктурных системах»

Научные и практические результаты диссертационной работы Хайдарова Валентина Геннадьевича «Математическое моделирование и расчет режимов течения потока в микроструктурных системах» использованы в ЗАО «Полимсталл Инжиниринг» в ходе разработки проекта по модернизации производства путем использования программного продукта ANS YS. Объектами внедрения являются:

1. Программный модуль для расчета качества смешения исходных веществ;

2. Алгоритм реализации эффективного численного метода решения уравнений методом конечных элементов при минимальном количестве элементов сетки.

Директор Дирекции по научно-исследованиям ЗАО «Полимета

УТВЕРЖДАЮ:

АКТ

о внедрении в учебный процесс Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комиссия в составе директора института "Технологический", к.т.н.» доценка Майстренко A.B. (председатель комиссии), зав. кафедрой «Технологии и оборудование пищевых и химических производств», д.т.н., доцента Дворецкого Д.С., зав. кафедрой «Автоматизированное проектирование технологичного оборудования», д.т.н., проф. Немтинова В.А., рассмотрев факт внедрения в учебный процесс результатов диссертации Хайдарова Валентина Геннадьевича на соискание ученой степени кандидата технических наук установила следующее:

1. Результаты диссертационного исследования Хайдрова В.Г. и полученные при этом практические результаты используются в учебном процессе факультета нанотехнологий при подготовке инженеров специальности 240801 - «Машины и аппараты химических производств» и 240802 - «Основные процессы химических производств и химическая кибернетика» в рамках изучения дисциплин «Системный анализ процессов химической технологии», «Математическое моделирование химико-технологических процессов» и «Системы управления химико-технологическими процессами».

2. Внедрение результатов диссертационного исследования Хайдарова В.Г. в учебный процесс позволило на совершенно новом уровне организовать лабораторные и практические занятия и, что главное, самостоятельную 'работу студентов специальностей 240801 и 240802 по ряду традиционно сложных, но важных для общего уровня инженерного образования дисциплин.

Члены комиссии:

Зав. кафедрой «Технологии и оборудование пищевых и химических производств», д.т.н., доцент

Председатель комиссии

Декан факультета нанотехнологий,

K.T.H., доцент

Зав. кафедрой «Автоматизированное проектирование технологического оборудования», д.т.н., проф.

* ******

В.А. Немтинов

УТВЕРЖДАЮ: Директор

€ей§зниковского филиала

внедрения результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Хайдарова Валентина Геннадьевича

Состав комиссии:

Председатель комиссии Затонский А.В., д.т.н., заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов»;

Член комиссии Беккер В.Ф., профессор кафедры «Автоматизация технологических процессов», к.т.н.;

Член комиссии Бильфельд Н.В., доцент кафедры «Автоматизации технологических процессов», профессор кафедры «Общенаучные дисциплины» Березниковского филиала Пермского государственного национального университета, к.т.н.

Комиссия рассмотрела результаты практического использования диссертационного исследования «Математическое моделирование и расчет режимов течения потока в микроструктурных системах» Хайдарова В.Г. и постановила следующее:

4 *

1. Положения, разработки и научно-практические рекомендации кандидатской диссертации использованы в учебном процессе кафедры автоматизации технологических процессов и производств при проведении лекций и лабораторных занятий по дисциплинам: «Системный анализ химической технологии» для студентов химико-технологических специальностей и «Моделирование систем» для студентов очно-заочного факультета.

2. Практическое внедрение научных результатов по теме диссертации осуществлялось Хайдаровым В.Г. под научным руководством д.т.н. Холодного В.А.

3. Комиссия отмечает целесообразность использования положения, разработок и практических рекомендаций кандидатской диссертации Хайдарова В.А. при разработке методического и программного обеспечения.

Председатель комиссии ->шт Затонский А.В.

Член комиссии . »'- Беккер В.Ф.

Член комиссии