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

No mundo da fabricação de medicamentos e produtos químicos, a forma como as reações são conduzidas mudou drasticamente nas últimas décadas. Em vez de misturar ingredientes em um grande tanque aberto, onde o calor pode se acumular de forma imprevisível e a segurança é uma preocupação constante, os cientistas agora preferem empurrar fluidos através de tubos estreitos e contínuos. Este método, conhecido como química de fluxo, oferece controle e segurança superiores porque a reação acontece em um fluxo minúsculo e móvel, em vez de em um enorme reservatório. No entanto, à medida que os engenheiros tentam mover esses processos de uma bancada de laboratório pequena para o chão de uma fábrica, eles dão de cara com um muro obstinado. Quando se simplesmente aumenta a largura dos tubos para lidar com mais material, a capacidade de controlar o calor e misturar os produtos químicos uniformemente muitas vezes entra em colapção. A reação pode ficar quente demais no meio, criando subprodutos indesejados ou até causando uma explosão, enquanto as bordas permanecem frias. O desafio é projetar um reator que permaneça eficiente e seguro mesmo quando cresce, sem perder o controle preciso que torna a química de fluxo tão valiosa.

Para resolver isso, pesquisadores da Universidade Xi'an Jiaotong e da Universidade Tecnológica de Hebei desenvolveram um novo tipo de reator baseado em uma forma geométrica complexa e repetitiva chamada superfície mínima triplamente periódica. Imagine uma estrutura que se parece com uma esponja, mas é feita de curvas suaves e contínuas que giram e serpenteiam em três dimensões, criando um labirinto de canais interconectados. Esta forma específica, conhecida como giroide, foi escolhida porque evita os cantos mortos onde o fluido pode ficar preso e oferece uma área de superfície massiva para o calor escapar. A equipe construiu um protótipo deste reator com um tamanho característico de 6 milímetros e comparou-o com dois reatores de tubo tradicionais, um com um diâmetro de 2 milímetros e outro com 4 milímetros. O objetivo era ver se este design intrincado, semelhante a uma esponja, conseguiria manter o controle perfeito de temperatura e mistura conforme o sistema aumentava de escala, um feito que os tubos padrão têm dificuldade em realizar.

Os pesquisadores não apenas construíram o dispositivo; eles criaram um gêmeo digital detalhado dele para observar como os fluidos se moviam e reagiam em seu interior. Eles simularam um processo químico envolvendo a produção de cloreto de vinilideno, um material usado em muitos produtos industriais, que envolve a mistura de dois líquidos que reagem liberando calor. Ao realizar essas simulações juntamente com experimentos do mundo real, eles puderam medir quanto tempo o fluido permanecia no reator e quão uniformemente a temperatura era distribuída. Os resultados mostraram que o fluido movendo-se através do reator giroide comportava-se quase exatamente como um plugue sólido, movendo-se para frente em uma linha apertada e organizada, com muito pouco de mistura para trás ou perda em zonas mortas. Este é o comportamento ideal para um reator químico, garantindo que cada gota de fluido experimente as mesmas condições. Em contraste, o tubo tradicional maior mostrou sinais de bypass de fluido, onde parte do líquido se movia rápido demais pelo centro enquanto outras partes permaneciam estagnadas, levando a resultados inconsistentes.

Quando a equipe testou o quão bem esses reatores podiam lidar com o calor, as vantagens do design giroide tornaram-se ainda mais claras. Em um cenário onde a reação química liberava uma quantidade massiva de calor — simulando um processo industrial altamente energético — os tubos tradicionais tiveram dificuldade em manter a temperatura baixa. O tubo maior, em particular, permitiu a formação de pontos quentes, o que pode arruinar a qualidade do produto final ao incentivar reações secundárias indesejadas. Embora o tubo de 2 milímetros tenha demonstrado o melhor desempenho geral de transferência de calor, o reator giroide ficou em um segundo lugar próximo e mostrou uma vantagem distinta em um cenário específico: quando as reações secundárias se tornavam o fator dominante. Sob estas condições extremas, a capacidade do design giroide de manter uma temperatura constante resultou em uma seletividade ligeiramente maior, o que significa que produziu o produto químico desejado com menos impurezas em comparação aos outros reatores. Essa capacidade de suprimir reações secundárias indesejadas é um fator crítico para a fabricação farmacêutica.

As implicações deste trabalho estendem-se para além de apenas um tipo de reação química. Os pesquisadores demonstraram que o seu método de modelagem computacional, que combina a dinâmica de fluidos com as taxas de reação química, é uma ferramenta poderosa para prever como um reator irá desempenhar antes mesmo de ser construído. Esta abordagem permite que os engenheiros testem diferentes designs em um computador com velocidade e precisão razoáveis, economizando tempo e dinheiro em protótipos físicos. O estudo sugere que o reator baseado em giroide pode ser um divisor de águas para processos que são atualmente muito perigosos ou difíceis de escalar, como a nitração ou a litiação, onde o controle do calor é uma questão de segurança tanto quanto de eficiência. Ao provar que esta estrutura intrincada, impressa em 3D, pode lidar com as demandas da química em escala industrial mantendo a precisão de um experimento de laboratório, os pesquisadores ofereceram um caminho promissor para o futuro da manufatura de fluxo contínuo.