Numerical investigation on the heat and mass transfer enhanced by Triply-Periodic-Minimal-Surface (TPMS) configuration in flow chemistry

In der Welt der Herstellung von Medikamenten und Chemikalien hat sich die Art und Weise, wie Reaktionen durchgeführt werden, in den letzten Jahrzehnten drastisch verändert. Anstatt Inhaltsstoffe in einem großen, offenen Bottich zu mischen, in dem sich Wärme unvorhersehbar aufbauen kann und die Sicherheit eine ständige Sorge darstellt, bevorzugen Wissenschaftler heute, Flüssigkeiten durch schmale, kontinuierliche Röhren zu pressen. Diese Methode, bekannt als Flow-Chemie, bietet eine überlegene Kontrolle und Sicherheit, da die Reaktion in einem winzigen, bewegten Strom statt in einem massiven Pool stattfindet. Wenn Ingenieure jedoch versuchen, diese Prozesse vom kleinen Laborarbeitsplatz auf die Fabrikebene zu übertragen, stoßen sie auf eine hartnäckige Wand. Wenn man diese Röhren einfach breiter macht, um mehr Material zu bewältigen, bricht oft die Fähigkeit zur Kontrolle der Wärme und zur gleichmäßigen Durchmischung der Chemikalien zusammen. Die Reaktion kann in der Mitte zu heiß werden, was unerwünschte Nebenprodukte erzeugt oder sogar eine Explosion auslöst, während die Ränder kühl bleiben. Die Herausforderung besteht darin, einen Reaktor zu entwerfen, der auch dann effizient und sicher bleibt, wenn er größer wird, ohne die präzise Kontrolle zu verlieren, die der Flow-Chemie ihren Wert verleiht.

Um dies zu lösen, haben Forscher der Xi'an Jiaotong University und der Hebei University of Technology einen neuen Typ Reaktor entwickelt, der auf einer komplexen, sich wiederholenden geometrischen Form basiert, einer sogenannten trippelperiodischen minimalen Oberfläche. Stellen Sie sich eine Struktur vor, die wie ein Schwamm aussieht, aber aus glatten, kontinuierlichen Kurven besteht, die sich in drei Dimensionen winden und drehen und so ein Labyrinth aus miteinander verbundenen Kanälen bilden. Diese spezifische Form, bekannt als Gyroid, wurde gewählt, weil sie tote Ecken vermeidet, in denen Flüssigkeiten stecken bleiben könnten, und eine massive Oberfläche bietet, über die Wärme entweichen kann. Das Team baute einen Prototyp dieses Reaktors mit einer charakteristischen Größe von 6 Millimetern und verglich ihn mit zwei herkömmlichen Röhrenreaktoren, einem mit einem Durchmesser von 2 Millimetern und einem anderen mit 4 Millimetern. Ihr Ziel war es zu sehen, ob dieses komplizierte, schwammartige Design die perfekte Temperaturkontrolle und Durchmischung beibehalten konnte, während das System skaliert wurde – eine Leistung, mit der Standard-Röhren Schwierigkeiten haben.

Die Forscher bauten das Gerät nicht nur, sie erstellten auch einen detaillierten digitalen Zwilling davon, um zu beobachten, wie sich die Flüssigkeiten darin bewegen und reagieren. Sie simulierten einen chemischen Prozess bei der Herstellung von Vinylidenchlorid, einem Material, das in vielen Industrieprodukten verwendet wird, und der die Mischung zweier Flüssigkeiten beinhaltet, die unter Freisetzung von Wärme miteinander reagieren. Indem sie diese Simulationen parallel zu realen Experimenten durchführten, konnten sie messen, wie lange die Flüssigkeit im Reaktor verweilte und wie gleichmäßig die Temperatur verteilt war. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Flüssigkeit, die durch den Gyroid-Reaktor strömte, fast exakt wie ein fester Plug (Pfropfen) verhielt, der in einer engen, organisierten Linie vorwärts bewegt wurde, mit sehr wenig Rückwärtsmischung oder Verlust in Totzonen. Dies ist das ideale Verhalten für einen chemischen Reaktor, da es sicherstellt, dass jeder Tropfen der Flüssigkeit die gleichen Bedingungen erfährt. Im Gegensatz dazu zeigte die größere traditionelle Röhre Anzeichen von Fluid-Bypassing, bei dem ein Teil der Flüssigkeit zu schnell durch die Mitte strömte, während andere Teile verweilten, was zu inkonsistenten Ergebnissen führte.

Als das Team testete, wie gut diese Reaktoren die Wärme handhaben konnten, wurden die Vorteile des Gyroid-Designs noch deutlicher. In einem Szenario, in dem die chemische Reaktion eine massive Menge an Wärme freisetzte – was einen hochenergetischen industriellen Prozess simulierte – hatten die traditionellen Röhren Schwierigkeiten, die Temperatur niedrig zu halten. Insbesondere die größere Röhre ließ Hotspots entstehen, die die Qualität des Endprodukts ruinieren können, indem sie unerwünschte Nebenreaktionen begünstigen. Während die 2-Millimeter-Röhre tatsächlich die beste Gesamtwärmeübertragungsleistung zeigte, kam der Gyroid-Reaktor als Zweiter sehr dicht gefolgt und wies einen deutlichen Vorteil in einem spezifischen Szenario auf: wenn Nebenreaktionen zum dominierenden Faktor wurden. Unter diesen extremen Bedingungen führte die Fähigkeit des Gyroid-Designs, eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten, zu einer etwas höheren Selektivität, was bedeutet, dass es den gewünschten Stoff mit weniger Verunreinigungen produzierte als die anderen Reaktoren. Diese Fähigkeit, unerwünschte Nebenreaktionen zu unterdrücken, ist ein entscheidender Faktor für die pharmazeutische Herstellung.

Die Auswirkungen dieser Arbeit erstrecken sich über diese eine Art chemischer Reaktion hinaus. Die Forscher zeigten, dass ihre Computermodellierungsmethode, die Fluiddynamik mit chemischen Reaktionsraten kombiniert, ein leistungsstarkes Werkzeug ist, um vorherzusagen, wie ein Reaktor performen wird, bevor er überhaupt gebaut wird. Dieser Ansatz ermöglicht es Ingenieuren, verschiedene Designs mit einer angemessenen Geschwindigkeit und Genauigkeit am Computer zu testen, was Zeit und Geld für physische Prototypen spart. Die Studie legt nahe, dass der Gyroid-basierte Reaktor ein Game-Changer für Prozesse sein könnte, die derzeit zu gefährlich oder zu schwierig hochzuskalieren sind, wie etwa die Nitrierung oder Lithierung, bei denen die Wärmekontrolle ebenso sehr eine Frage der Sicherheit wie der Effizienz ist. Indem sie bewiesen haben, dass diese komplizierte, 3D-gedruckte Struktur den Anforderungen der industriellen Chemie unter Beibehaltung der Präzision eines Laborexperiments gewachsen ist, haben die Forscher einen vielversprechenden Weg für die Zukunft der kontinuierlichen Flow-Produktion aufgezeigt.