Новые проточные микрофлюидные реакторы с уникальной конструкцией миксерной зоны, где производится смешение химических соединений, разработали молодые ученые Передовой инженерной школы химического машиностроения Российского химико-технологического университета (РХТУ) им. Д. И. Менделеева, 22 мая сообщает научно-популярный портал Naked Science.

Внедрение разработки ученых РХТУ позволит производить в России современные высокоэффективные, точные и безопасные реакторы небольшого размера, востребованные химической, фармацевтической и пищевой промышленностью.

В микрофлюидных проточных реакторах (микрореакторах) синтез различных веществ проходит в каналах микро- и нанометрового размера, что позволяет достичь существенно большей эффективности процесса производства, чем обычные емкостные реакторы. Кроме того, микрореакторы более безопасны.

Милиструктурный реактор проточного типа производительностью 10 тыс. тонн в год заменит более 20 реакторов периодического действия, отмечают разработчики. И. о. ректора РХТУ Илья Воротынцев отметил:

«Микрофлюидные реакторы — это новое слово в химической технологии: они позволяют повысить эффективность работы химических производств, значительно снизить количество выбросов и отходов. При этом важно, что наши химики-технологи и инженеры не копируют зарубежные технологии, а предлагают новые, улучшенные конструкционные решения. Следующие этапы — это лицензирование, внедрение и масштабирование вместе с нашими отраслевыми партнерами».

Руководитель проекта, доцент кафедры химической технологии природных энергоносителей и углеродных материалов РХТУ Михаил Шишанов указал на достоинства новой конструкции:

«Обычный реактор долго нагревается, затем в нем несколько суток идет реакция. Пространство микрофлюидного реактора небольшое, сам процесс контролируем и идет быстрее. Существенно снижаются издержки».

Он отметил также, что в мире (в Швейцарии, Германии, США и Японии) микрофлюидные реакторы производят достаточно давно, однако в России их не производили. Поэтому изготовление таких реакторов в нашей стране значительно расширит возможности по производству фармацевтических препаратов и других важных химических соединений.

В микрофлюидных реакторах выполняют синтез опасных или дорогостоящих соединений, в том числе сложных фармацевтических препаратов. Поэтому очень важна предоставляемая ими возможность регулирования гидродинамики процесса с целью достижения требуемой точности реакции. Также компактность и модульность конструкции микрофлюидных поточных реакторов позволяет эффективно использовать производственные и лабораторные площади.

Однако разработка конструкции таких реакторов требует достаточно сложных расчетов, которыми в РХТУ занимаются пять магистрантов Передовой инженерной школы химического машиностроения.

«Каждая химическая реакция уникальна, и по факту под каждый процесс нужно создавать отдельный реактор с конкретными характеристиками. В мире такие компетенции есть у считанных компаний. Мы учим студентов отталкиваться от химического процесса и сопутствующих математических расчетов: важно получить вещество и затем подбирать условия для работы с ним, а не копировать конструкцию реактора у других производителей», — рассказал Михаил Шишанов.

Оптимальная геометрия реактора ищется с помощью созданной в CAD системе 3D-модели. После чего для выбранной геометрии проводится CAE — расчет, анализ и симуляция физических процессов, и CFD — расчет гидродинамических процессов, в таких программах, как Comsol или Ansys Fluent.

Результатом моделирования являются конкретные цифры по распределению концентраций, температур, скоростей в потоке, прочностные характеристики и другие параметры для полученной геометрии модели. Если они не устраивают разработчиков, цикл повторяется до ее окончательной оптимизации.

Такой подход существенно сокращает затраты на НИОКР, позволяя почти все проблемы конструкции решить на начальной стадии проектирования. Одновременно он позволяет без особых трудов масштабировать проточную технологию для промышленной эксплуатации, так как соблюдается геометрическое подобие.

Разработчики указывают, что реализация проекта позволяет разрабатывать технологию химического процесса и поставлять ее заказчику «под ключ» — вместе с оборудованием в составе комплексной лицензии на тот или иной химический продукт.

В настоящее время РХТУ оформляет заявку на патент миксерной зоны (зоны смешения) микрофлюидного реактора.