Течение реагирующей жидкости при переэтерификации растительного масла с использованием метода капельной микрофлюидики; Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов; Т. 337, № 6
| Parent link: | Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов=Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering/ Национальный исследовательский Томский политехнический университет.— .— Томск: Изд-во ТПУ, 2015-.— 2413-1830 Т. 337, № 6.— 2026.— С. 133-144 |
|---|---|
| Other Authors: | , , , |
| Summary: | Актуальность. Существует множество конфигураций микрофлюидных чипов, с помощью которых производится биотопливо из различных растительных масел. В исследованиях подобного рода уделяют недостаточно внимания гидродинамике взаимодействия реагирующих потоков в микромиксерах и микрореакторах. Выявление механизмов и характеристик формирования капель/снарядов дисперсной среды при движении по микроканалам и управление этим процессом может способствовать оптимизации производства эфиров и максимизации их выхода. Объект. Процесс конверсии рапсового масла в метиловые эфиры жирных кислот через призму последствий микрогидродинамики двухфазного течения в микромиксере и микрореакторе. Цель. Определить и количественно охарактеризовать гидродинамические последствия взаимодействия потоков раствора гидроксида калия в метаноле и рапсового масла при микрофлюидном приготовлении эфиров жирных кислот с использованием чипа с конфигурацией на основе Т-образного микросмесителя и змеевикового микрореактора. Методы. Метод капельной микрофлюидики для организации течения жидкостей по микроканалам с целью переэтерификации рапсового масла, высокоскоростная видеорегистрация для детектирования последствий гидродинамического взаимодействия несмешивающихся жидкостей, метод аддитивного производства на основе цифровой модели по технологии Digital Light Processing для изготовления элементов микрофлюидной системы для переэтерификации. Результаты. В результате анализа экспериментальных данных о течении реагирующей жидкости при переэтерификации растительного масла выявлены границы режимов течения двухфазного потока (снарядный и неустойчивость Рэлея–Плато) и влияние нагрева жидкостей до 55 °С на эти границы при сравнении со случаем без принудительного нагрева. Среди установленных режимов течения предпочтительным является снарядный, поскольку позволяет контролировать и охарактеризовать конверсию масла. Сформулированы практические рекомендации для оптимизации производства эфиров и максимизации их выхода. Показано, как при рациональном анализе влияния объёмных расходов реагирующих жидкостей и их соотношения на гидродинамические последствия может быть определен характер двухфазного потока, его количественные параметры, а также связанные с ними характеристики конверсии. Продемонстрирован подход к контролю интенсификацией конверсии масла в микрореакторе за счет введения и отслеживания соотношения длины снарядов к расстоянию между соседними снарядами в результирующем потоке и его зависимости от расхода двухфазной жидкости. Чем ближе это соотношение к 0, тем интенсивнее конверсия и потенциально выше выход эфиров жирных кислот. Установлено, что размер снарядов и расстояние между ними являются ощутимо чувствительными к температуре взаимодействующих жидкостей из-за изменяющегося межфазного натяжения между ними There are many configurations of microfluidic chips that can be used to produce biofuel from various vegetable oils. Studies of this kind do not pay sufficient attention to the hydrodynamics of the interaction of reacting flows in micromixers and microreactors. Identifying the mechanisms and characteristics of droplet/slug formation of a dispersed medium as it moves through microchannels and controlling this process can help optimize ester production and maximize yield. Object. Converton of rapeseed oil into fatty acids methyl esters through the prism of the consequences of microfluidics of two-phase flow in a micromixer and microreactor. Aim. To identify and quantitatively characterize the hydrodynamic consequences of the interaction between flows of potassium hydroxide solution in methanol and rapeseed oil during microfluidic preparation of fatty acid esters using a chip with a configuration based on a T-shaped micro-mixer and a coil micro-reactor. Methods. The droplet microfluidics method for managing the flow of liquids through microchannels for transesterification of rapeseed oil, high-speed video recording to detect the effects of hydrodynamic interaction of immiscible liquids, additive manufacturing based on a digital model using Digital Light Processing technology to manufacture elements of a microfluidic system for transesterification. Results. As a result of analyzing experimental data on the flow of reactive liquid during vegetable oil transesterification, the boundaries of two-phase flow regimes (slug and Plateau–Rayleigh instability) and the effect of heating liquids to 55°C on these boundaries were identified when compared to the case without forced heating. Among the established flow regimes, the slug one is preferable, as it allows oil conversion to be controlled and characterized. Practical recommendations were formulated for optimizing ester production and maximizing their yield. It is shown how, through a rational analysis of the effect of the volumetric flow rates of the reacting liquids and their ratio on the hydrodynamic consequences, the nature of the two-phase flow, its quantitative parameters, and the associated conversion characteristics can be determined. The paper demonstrates an approach to controlling oil conversion intensification in a microreactor by introducing and tracking the ratio of the length of the slugs to the distance between adjacent slugs in the resulting flow and its dependence on the flow rate of the two-phase liquid. The closer this ratio is to 0, the more intense the conversion and the potentially higher the yield of fatty acid esters. It was established that the size of the slugs and the distance between them are significantly sensitive to the temperature of the interacting liquids due to the changing interfacial tension between them Текстовый файл |
| Language: | Russian |
| Published: |
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | bulletin_tpu-2026-v337-i6-12.pdf https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5306 |
| Format: | Electronic Book Chapter |
| KOHA link: | https://koha.lib.tpu.ru/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=688063 |
| Summary: | Актуальность. Существует множество конфигураций микрофлюидных чипов, с помощью которых производится биотопливо из различных растительных масел. В исследованиях подобного рода уделяют недостаточно внимания гидродинамике взаимодействия реагирующих потоков в микромиксерах и микрореакторах. Выявление механизмов и характеристик формирования капель/снарядов дисперсной среды при движении по микроканалам и управление этим процессом может способствовать оптимизации производства эфиров и максимизации их выхода. Объект. Процесс конверсии рапсового масла в метиловые эфиры жирных кислот через призму последствий микрогидродинамики двухфазного течения в микромиксере и микрореакторе. Цель. Определить и количественно охарактеризовать гидродинамические последствия взаимодействия потоков раствора гидроксида калия в метаноле и рапсового масла при микрофлюидном приготовлении эфиров жирных кислот с использованием чипа с конфигурацией на основе Т-образного микросмесителя и змеевикового микрореактора. Методы. Метод капельной микрофлюидики для организации течения жидкостей по микроканалам с целью переэтерификации рапсового масла, высокоскоростная видеорегистрация для детектирования последствий гидродинамического взаимодействия несмешивающихся жидкостей, метод аддитивного производства на основе цифровой модели по технологии Digital Light Processing для изготовления элементов микрофлюидной системы для переэтерификации. Результаты. В результате анализа экспериментальных данных о течении реагирующей жидкости при переэтерификации растительного масла выявлены границы режимов течения двухфазного потока (снарядный и неустойчивость Рэлея–Плато) и влияние нагрева жидкостей до 55 °С на эти границы при сравнении со случаем без принудительного нагрева. Среди установленных режимов течения предпочтительным является снарядный, поскольку позволяет контролировать и охарактеризовать конверсию масла. Сформулированы практические рекомендации для оптимизации производства эфиров и максимизации их выхода. Показано, как при рациональном анализе влияния объёмных расходов реагирующих жидкостей и их соотношения на гидродинамические последствия может быть определен характер двухфазного потока, его количественные параметры, а также связанные с ними характеристики конверсии. Продемонстрирован подход к контролю интенсификацией конверсии масла в микрореакторе за счет введения и отслеживания соотношения длины снарядов к расстоянию между соседними снарядами в результирующем потоке и его зависимости от расхода двухфазной жидкости. Чем ближе это соотношение к 0, тем интенсивнее конверсия и потенциально выше выход эфиров жирных кислот. Установлено, что размер снарядов и расстояние между ними являются ощутимо чувствительными к температуре взаимодействующих жидкостей из-за изменяющегося межфазного натяжения между ними There are many configurations of microfluidic chips that can be used to produce biofuel from various vegetable oils. Studies of this kind do not pay sufficient attention to the hydrodynamics of the interaction of reacting flows in micromixers and microreactors. Identifying the mechanisms and characteristics of droplet/slug formation of a dispersed medium as it moves through microchannels and controlling this process can help optimize ester production and maximize yield. Object. Converton of rapeseed oil into fatty acids methyl esters through the prism of the consequences of microfluidics of two-phase flow in a micromixer and microreactor. Aim. To identify and quantitatively characterize the hydrodynamic consequences of the interaction between flows of potassium hydroxide solution in methanol and rapeseed oil during microfluidic preparation of fatty acid esters using a chip with a configuration based on a T-shaped micro-mixer and a coil micro-reactor. Methods. The droplet microfluidics method for managing the flow of liquids through microchannels for transesterification of rapeseed oil, high-speed video recording to detect the effects of hydrodynamic interaction of immiscible liquids, additive manufacturing based on a digital model using Digital Light Processing technology to manufacture elements of a microfluidic system for transesterification. Results. As a result of analyzing experimental data on the flow of reactive liquid during vegetable oil transesterification, the boundaries of two-phase flow regimes (slug and Plateau–Rayleigh instability) and the effect of heating liquids to 55°C on these boundaries were identified when compared to the case without forced heating. Among the established flow regimes, the slug one is preferable, as it allows oil conversion to be controlled and characterized. Practical recommendations were formulated for optimizing ester production and maximizing their yield. It is shown how, through a rational analysis of the effect of the volumetric flow rates of the reacting liquids and their ratio on the hydrodynamic consequences, the nature of the two-phase flow, its quantitative parameters, and the associated conversion characteristics can be determined. The paper demonstrates an approach to controlling oil conversion intensification in a microreactor by introducing and tracking the ratio of the length of the slugs to the distance between adjacent slugs in the resulting flow and its dependence on the flow rate of the two-phase liquid. The closer this ratio is to 0, the more intense the conversion and the potentially higher the yield of fatty acid esters. It was established that the size of the slugs and the distance between them are significantly sensitive to the temperature of the interacting liquids due to the changing interfacial tension between them Текстовый файл |
|---|---|
| DOI: | 10.18799/24131830/2026/6/5306 |