Control of mixing in a continuous-flow microreactor with a varied gap width
DOI:
https://doi.org/10.17072/1994-3598-2017-4-26-36Abstract
Continuous-flow microreactors are at the center of the revolution that occurs in chemical engineering technology. The advantages of these new reactor types are: the quick and effective mixing of the reagents, very small reagent quantities used for the synthesis, the regulation of the main reaction parameters, i.e. flow rate, residence time, pressure and so on with very high accuracy. In this paper, a Hele-Shaw cell with a variable gap width is theoretically analyzed as the main element of the flow reactor of more advanced type. As a test reaction, we consider the reaction of neutralization of nitric acid with sodium hydroxide occurring in water, which leads, as it was previously demonstrated, to convective instability in the gravity field due to the effect of concentration-dependent diffusion (CDD instability). We show that the equations of motion are, in general, analogous to the fluid filtration equations in a porous medium (Darcy problem) with the variable permeability. We demonstrate numerically that the prototyping the spatially-distributed shape of the reactor zone can successfully separate the incoming and outgoing flows of reagents, control the intensity of the mixing processes locally, increase or decrease the value of the product of the outlet. The possibility of controlling the chemo-hydrodynamic flows in a reactor in real time through a local change in the width of the gap is also discussed.References
Reschetilowski W. (Ed.) Microreactors in preparative chemistry. Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2013. 352 p.
Hessel V. L., Holger-Schönfeld F. Micromixers – a review on passive and active mixing principles. Chemical Engineering Science, 2005, vol. 60, pp. 2479–2501. DOI: 10.1016/j.ces.2004.11.033
Jensen K. F. Microreaction engineering – is small better? Chemical Engineering Science, 2001, vol. 56, pp. 293–303. DOI: 10.1016/S0009-2509(00)00230-X
Nieves-Remacha M. J., Kulkarni A. A., Jensen K. F. Hydrodynamics of liquid-liquid dispersion in an advanced-flow reactor. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2012, vol. 51, pp. 16251−16262. DOI: 10.1021/ie301821k
Mascia S., Heider P.L., Zhang H., Lakerveld R., Benyahia B., Barton P.I., Braatz R.D., Cooney C.L., Evans J.M.B., Jamison T.F., Jensen K.F., Myerson A.S., Trout B.L. End-to-end continuous manufacturing of pharmaceuticals: integrated synthesis, purification, and final dosage formation. Angewandte Chemie International Edition, 2013, vol. 52, pp. 12359−12363. DOI: 10.1002/anie.201305429
Baumann M., Baxendale I. R. The synthesis of active pharmaceutical ingredients (APIs) using continuous flow chemistry. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2015, vol. 11, pp. 1194−1219. DOI:10.3762/ bjoc.11.134
Pellegatti L., Sedelmeier J. Synthesis of vildagliptin utilizing continuous flow and batch technologies. Organic Process Research and Development, 2015, vol. 19, pp. 551−554. DOI: 10.1021/acs.oprd.5b00058
Zhao H., Casademunt J., Yeung C., Maher J. V. Perturbing Hele-Shaw flow with a small gap gradient. Physical Review A., 1992, vol. 45, pp. 2455–2460.
Zhang S.–Z., Louis E., Pla O., Guinea F. Linear stability analysis of the Hele-Shaw cell with lifting plates. European Physical Journal B, 1998, vol. 1, pp. 123–127. DOI: 10.1007/s100510050161
Dias E.O., Miranda J.A. Taper-induced control of viscous fingering in variable-gap Hele-Shaw flows. Physical Review E, 2013, vol. 87, 053015. DOI: 10.1103/PhysRevE.87.053015
Bratsun D., Kostarev K., Mizev A., Mosheva E. Concentration-dependent diffusion instability in reactive miscible fluids. Physical Review E, 2015, vol. 92, 011003.
DOI: 10.1103/PhysRevE.92.011003
Bratsun D. A., Stepkina O. S., Kostarev K. G., Mizev A. I., Mosheva E. A. Development of concentration-dependent diffusion instability in reactive miscible fluids under influence of constant or variable inertia. Microgravity Science and Technology, 2016, vol. 28, no. 6. pp. 575–585. DOI: 10.1007/s12217-016-9513-x
Aitova E. V., Bratsun D. A., Kostarev K. G., Mizev A. I., Mosheva E. A. Convective instability in a two-layer system of reacting fluids with concentration-dependent diffusion. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2016, vol. 57, no. 7. pp. 1226–1238.
DOI: 10.1134/S0021894416070026
Bratsun D. A. Internal density waves of shock type induced by chemoconvection in miscible reacting liquids. Technical Physics Letters, 2017, vol. 43, no. 10. pp. 944–947.
Danckwerts P. V. Gas-liquid reactions. New York: McGraw-Hill Book Co., 1970. 276 p.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Автор предоставляет Издателю журнала (Пермский государственный национальный исследовательский университет) право на использование его статьи в составе журнала, а также на включение текста аннотации, полного текста статьи и информации об авторах в систему «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ).
Автор даёт своё согласие на обработку персональных данных.
Право использования журнала в целом в соответствии с п. 7 ст. 1260 ГК РФ принадлежит Издателю журнала и действует бессрочно на территории Российской Федерации и за её пределами.
Авторское вознаграждение за предоставление автором Издателю указанных выше прав не выплачивается.
Автор включённой в журнал статьи сохраняет исключительное право на неё независимо от права Издателя на использование журнала в целом.
Направление автором статьи в журнал означает его согласие на использование статьи Издателем на указанных выше условиях, на включение статьи в систему РИНЦ, и свидетельствует, что он осведомлён об условиях её использования. В качестве такого согласия рассматривается также направляемая в редакцию справка об авторе, в том числе по электронной почте.
Редакция размещает полный текст статьи на сайте Пермского государственного национального исследовательского университета: http://www.psu.ru и в системе OJS на сайте http://press.psu.ru
Плата за публикацию рукописей не взимается. Гонорар за публикации не выплачивается. Авторский экземпляр высылается автору по указанному им адресу.
