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

In de wereld van de productie van medicijnen en chemicaliën is de manier waarop reacties worden uitgevoerd de afgelopen decennia drastisch veranderd. In plaats van ingrediënten te mengen in een grote, open vat waar warmte onvoorspelbaar kan opbouwen en veiligheid een constante zorg is, geven wetenschappers nu de voorkeur aan het persen van vloeistoffen door nauwe, continue buizen. Deze methode, bekend als flowchemie, biedt superieure controle en veiligheid omdat de reactie plaatsvindt in een minuscule, bewegende stroom in plaats van in een enorme plas. Echter, wanneer ingenieurs proberen deze processen van een kleine laboratoriumtafel naar een fabrieksvloer te verplaatsen, stuiten ze op een hardnekkige muur. Wanneer men de buizen simpelweg breder maakt om meer materiaal te verwerken, breken het vermogen om warmte te beheersen en de chemicaliën gelijkmatig te mengen vaak af. De reactie kan in het midden te heet worden, wat ongewenste bijproducten creëert of zelfs een explosie veroorzaakt, terwijl de randen koel blijven. De uitdaging is om een reactor te ontwerpen die efficiënt en veilig blijft naarmate deze groter wordt, zonder de precieze controle te verliezen die flowchemie zo waardevol maakt.

Om dit op te lossen, hebben onderzoekers aan de Xi'an Jiaotong Universiteit en de Hebei University of Technology een nieuw type reactor ontwikkeld op basis van een complexe, herhalende geometrische vorm die een triply periodic minimal surface wordt genoemd. Stel je een structuur voor die lijkt op een spons, maar gemaakt is van gladde, continue curven die in drie dimensies draaien en buigen, waardoor een doolhof van onderling verbonden kanalen ontstaat. Deze specifieke vorm, bekend als een gyroid, is gekozen omdat het dode hoeken vermijdt waar vloeistof in kan blijven hangen en een enorm oppervlak biedt voor warmteafvoer. Het team bouwde een prototype van deze reactor met een karakteristieke grootte van 6 millimeter en vergeleek deze met twee traditionele buisreactoren, één met een diameter van 2 millimeter en een andere met 4 millimeter. Hun doel was om te zien of dit ingewikkelde, sponsachtige ontwerp de perfecte temperatuurcontrole en menging kon behouden naarmate het systeem opschaalde, een prestatie waar standaard buizen moeite mee hebben.

De onderzoekers hebben de apparatuur niet alleen gebouwd; ze hebben er een gedetailleerde digitale tweeling van gemaakt om te observeren hoe de vloeistoffen bewegen en reageren. Ze simuleerden een chemisch proces waarbij de productie van vinylideenchloride betrokken is, een materiaal dat in veel industriële producten wordt gebruikt, wat het mengen van twee vloeistoffen inhoudt die op elkaar reageren door warmte vrij te geven. Door deze simulaties naast echte experimenten uit te voeren, konden ze meten hoe lang de vloeistof in de reactor bleef en hoe gelijkmatig de temperatuur werd verdeeld. De resultelingen toonden aan dat de vloeistof die door de gyroid-reactor bewoog, zich bijna exact gedroeg als een vaste plug, die zich in een strakke, georganiseerde lijn naar voren bewoog met zeer weinig menging naar achteren of het verdwalen in dode zones. Dit is het ideale gedrag voor een chemische reactor, omdat het ervoor zorgt dat elke druppel vloeistof aan dezelfde omstandigheden wordt blootgesteld. In contrast hiermee vertoonde de grotere traditionele buis tekenen van vloeistofbypassing, waarbij sommige vloeistoffen te snel door het midden bewogen terwijl andere delen langer bleven hangen, wat leidde tot inconsistente resultaten.

Wanneer het team testte hoe goed deze reactoren warmte konden afvoeren, werden de voordelen van het gyroid-ontwerp nog duidelijker. In een scenario waarin de chemische reactie een enorme hoeveelheid warmte vrijgaf — een simulatie van een zeer energetisch industrieel proces — hadden de traditionele buizen moeite om de temperatuur laag te houden. De grotere buis in het bijzonder liet zien dat er hot spots konden ontstaan, wat de kwaliteit van het eindproduct kan ruïneren door ongewenste zijreacties te stimuleren. Hoewel de 2-millimeter buis de beste algehele warmteoverdracht presteerde, kwam de gyroid-reactor een klein beetje tekort en toonde een duidelijk voordeel in een specifiek scenario: wanneer zijreacties de dominante factor werden. Onder deze extreme omstandigheden resulteerde het vermogen van het gyroid-ontwerp om een stabiele temperatuur te handhaven in een iets hogere selectiviteit, wat betekent dat het de gewenste chemische stof produceerde met minder onzuiverheden in vergelaling met de andere reactoren. Dit vermogen om ongewenste zijreacties te onderdrukken is een cruciale factor voor de farmaceutische productie.

De implicaties van dit werk strekken zich uit voorbij slechts één type chemische reactie. De onderzoekers hebben aangetoond dat hun computermodelmethode, die vloeistofdynamica combineert met chemische reactiesnelheden, een krachtig hulpmiddel is om te voorspellen hoe een reactor zal presteren voordat deze überhaupt gebouwd wordt. Deze aanpak stelt ingenieurs in staat om verschillende ontwerpen op een computer te testen met een redelijke snelheid en nauwkeurigheid, wat tijd en geld bespaart op fysieke prototypes. De studie suggereert dat de gyroid-gebaseerde reactor een gamechanger kan zijn voor processen die momenteel te gevaarlijk of te moeilijk zijn om op te schalen, zoals nitratie of lithiatie, waarbij warmtebeheersing een kwestie is van veiligheid evenals efficiëntie. Door te bewijzen dat deze ingewikkelde, 3D-geprinte structuur aan de eisen van industriële chemie kan voldoen terwijl de precisie van een laboratoriumexperiment behouden blijft, hebben de onderzoekers een veelbelovend pad geboden voor de toekomst van continue flow-productie.