CC BY
3ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ В ФАРМАЦИИ
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕШЕНИЯ ДВУХ ЖИДКОСТЕЙ В ЗМЕЕВИКОВОМ ПРОТОЧНОМ
МИКРОРЕАКТОРЕ
Лобасов А.С.1,2, Минаков А.В.1,2
Сибирский федеральный университет, 660074, Российская Федерация, Красноярск, пр. Свободный, 79 2Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, Новосибирск, пр. Лаврентьева, 1
perpetuifyrs@mail.ru
В данной работе с помощью методов вычислительной гидродинамики проведено численное исследование влияния расходов смешивающихся жидкостей на эффективность их смешения в микрочипе змеевикового типа. Канал смешения имеет 21 изгиб на 180° одного и того же внутреннего радиуса Я = 1 мм. В поперечном сечении канал квадратный с длиной стороны 1,1 мм. Стенки канала гладкие, шероховатость отсутствует, на стенках реализуются условия прилипания. На входе в проточный микрореактор задавались следующие постоянные объёмные расходы смеси: 1 мл/мин, 5 мл/мин, 10 мл/мин, 15 мл/мин, 20 мл/мин. Для идентификации смешения использовалась концентрация красителя, выступающая в роли пассивного скаляра, никоим образом не влияющего на гидродинамику процесса. Коэффициент диффузии красителя в воде задавался постоянным и равным 2,63 10-10 м2/с. В первом случае начальное распределение задавалось следующим образом: в одной части площади входа (90% от площади) выполняется инициализация вещества с концентрацией 10%, в другой части площади слоя (10% от площади) - с концентрацией 90% (вариант 90/10). Во втором случае в одной части площади входа (80% от площади) выполняется инициализация вещества с концентрацией 20%, в другой части площади слоя (20% от площади) - с концентрацией 80% (вариант 80/20).
В результате численного моделирования были получены распределения полей скоростей, давлений и концентраций (пример для концентрации показан на рис. 1). Получены профили распределения числа Рейнольдса и числа Дина во всей трёхмерной области проточного микрореактора, определены зависимости эффективности смешения жидкостей, статического давления в микрореакторе и другие требующиеся величины и зависимости. Было обнаружено, что основной вклад в смешение вносят области изгибов микрореактора, где наблюдается наибольший локальный перепад давления и наиболее высокие значения чисел Рейнольдса и Дина. Таким образом, если уменьшить длину составляющих микрореактор микроканалов, можно уменьшить перепад давлений, не снижая эффективности смешения микрореактора, что приведёт к повышению его энергоэффективности. С ростом расхода жидкости требуется меньшее количество микроканалов для достижения постоянного режима смешения. Уменьшение их количества также приведёт к снижению перепада давлений, что ещё больше повысит энергоэффективность рассмотренного микрореактора. Можно сделать вывод, что рассмотренный микрореактор достаточно эффективен для смешения жидкостей. Помимо этого, было установлено влияние начального распределения концентраций жидкости на смешение и отсутствие этого влияния на гидродинамику процесса, а именно, при любом из вариантов расхода жидкости наиболее эффективным являлось условие, когда краситель подавался в канал по его правой стенке, а худшая эффективность смешения - при подаче красителя по верхней стенке (рис. 1).
а)
б) _ _
в)
Рисунок 1 - Профили концентрации в поперечном сечении на выходе из микрореактора при расходах жидкости слева-направо: 1 мл/мин; 5 мл/мин; 10мл/мин; 15 мл/мин; 20 мл/мин. Подача красителя в канал:
а) по верхней стенке; б) по левой стенке; в) по правой стенке
