Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

homogenous complex reactions in microreactor

Wiktoria Aleksandra Tadeusiak

Abstract

Technology and engineering of microreactors are innovative and fast growing fields of chemical and process engineering. In author’s opinion, description of microreactors is not complete and the knowledge is not systematic enough. This is the reason why there is a need to verify the subject literature. The large part of this research was focused on collecting different descriptions of liquid micromixers. The criterion of mixing efficiency was used in this work to compare performance of different microreactors.. Any considered device can be characterized as a good mixer if in relatively short time it is capable to provide uniform profiles of temperature and concentration of reacting species within its cross-section. In large apparatus, the process would certainly involve turbulent flow, with its high Reynolds numbers. On the contrary in smaller apparatus like micromixers, Reynolds numbers are very small, which means there will be only laminar flow and thus enhancement of molecular diffusion by laminar flow will be the main mechanism of process intensification. That is why increase of effective rate of molecular diffusion is the principal task for a good micromixer. To define the energetic efficiency of mixing the method based on determination of selectivity of complex chemical reaction was used in this work. On the other hand in order to predict flow and determine the total energy dissipated in a given system, computational fluid dynamics has been applied. Numerical simulations has been completed based on application of commercial package for CFD - Fluent 6.2, the computational meshes were created in Gambit preprocessor, whereas reaction kinetics were included in modelling by an application of so-called User-Defined Functions (UDF) attached to each of the Fluent code. CFD simulations enables us to carry out and complete numerical analysis. In this work four geometric designs of passive micromixers has been examined. The first one was with triangle structures in rectangular duct, the second with twisted microchannels, the third based on unbalanced splits and collisions of fluid streams and the last one with obstructions. It was found that micromixers with twisted microchannels are the most effective for low values of the flow rate thus can be recommended as a most suitable for mixing of homogenous fluids in the laminar regime of the flow. Also micromixers with triangle structures in rectangular duct has been found to be efficient but only for high values of the flow rate.
Record ID
WUT644b74a3b67f4527aac8932a14cf1c91
Diploma type
Master of Science
Author
Wiktoria Aleksandra Tadeusiak (FCPE) Wiktoria Aleksandra Tadeusiak,, Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Title in Polish
Homogeniczne reakcje złożone w mikroreaktorze
Supervisor
Magdalena Jasińska (FCPE/DCRED) Magdalena Jasińska,, Department of Chemical Reactor Engineering and Dynamics (FCPE/DCRED)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Certifying unit
Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Affiliation unit
Department of Chemical Reactor Engineering and Dynamics (FCPE/DCRED)
Study subject / specialization
, Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
01-02-2012
Issue date (year)
2012
Pages
75
Internal identifier
DICHP-2082
Reviewers
Eugeniusz Jakub Molga (FCPE/DPKT) Eugeniusz Jakub Molga,, Department of Process Kinetics and Thermodynamics (FCPE/DPKT)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE) Magdalena Jasińska (FCPE/DCRED) Magdalena Jasińska,, Department of Chemical Reactor Engineering and Dynamics (FCPE/DCRED)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Keywords in Polish
mikroreaktory, mikromieszalniki, reakcje złożone, CFD
Keywords in English
microreactors, micromixers, complex reaction, CFD
Abstract in Polish
Inżynieria mikroreaktorów jest innowacyjną, szybko rozwijająca się gałęzią inżynierii chemicznej i procesowej. Pomimo, że mamy do czynienia z obszerną literaturą, coraz szybciej powiększającą się, to jednak wiedza dotycząca mikroreaktorów nie jest dotychczas w pełni usystematyzowana i nadal wymaga weryfikacji. Tematem niniejszej pracy jest zebranie opisów dostępnych w literaturze przedmiotu charakterystyk mikromieszalników cieczowych, a następnie porównanie ich działania według przyjętego w pracy kryterium, którym w niniejszej pracy jest efektywność energetyczna mieszania. Dobry mikromieszalnik musi charakteryzować się krótkimi czasami mieszania, tzn. umożliwić w stosunkowo krótkim czasie uzyskanie jednorodnego profilu temperatury oraz stężeń składników biorących udział w reakcji. W większych aparatach proces taki przebiega zazwyczaj w warunkach przepływu turbulentnego, przy dużych wartościach liczb Reynoldsa. W mikroreaktorach mieszanie odbywa się w przepływach laminarnych, przy niskich wartościach liczby Reynoldsa. Kluczowym mechanizmem mieszania nie będzie w takim wypadku konwekcja ale przyspieszona przez konwekcję dyfuzja molekularna. Dlatego głównym zadaniem przy konstrukcji mikromieszalników jest pośrednie zwiększenie szybkości dyfuzji molekularnej. Do opisu efektywności mieszania została w pracy wykorzystana metoda bazująca na określaniu selektywności złożonych reakcji chemicznych zwanych także reakcjami testowymi. W celu określenia pola przepływu w wybranych typach mikroreaktorów w pracy przeprowadzono symulacje przy zastosowaniu obliczeniowej mechaniki płynów. Obliczenia wykonano z wykorzystaniem komercyjnego pakietu CFD Fluent 6.2. Siatki obliczeniowe opracowano przy pomocy preprocesora Gambit, natomiast kinetyka badanych reakcji została wprowadzona za pomocą funkcji zewnętrznych tzw. User-Defined Function (UDF) które zdefiniowano na potrzeby tego przypadku. W pracy przeanalizowano cztery warianty geometrii mikromieszalników pasywnych. Wyniki symulacji numerycznych umożliwiły porównanie efektywności mieszania dla kolejnych typów mikromieszalników: mikromieszalnika z trójkątnymi wcięciami, mikromieszalnika ze ściętymi ścianami, mikromieszalnika z przeszkodami oraz z rozwidlanym kanałem. Wyniki obliczeń pokazały, że najwyższe wartości efektywności mieszania dla małych przepływów uzyskano w mikroreaktorze ze skośnymi ściankami natomiast dla dużych przepływów, w mikromieszalniku z trójkątnymi wycięciami.
File
  • File: 1
    Homogenincze reakcje złożone w mikroreaktorze. Wiktoria Tadeusiak.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 2895

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUT644b74a3b67f4527aac8932a14cf1c91/
URN
urn:pw-repo:WUT644b74a3b67f4527aac8932a14cf1c91

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page