Молодые ученые Передовой инженерной школы химического машиностроения РХТУ имени Д. И. Менделеева разработали новые проточные микрофлюидные реакторы с уникальной конструкцией миксерной зоны – зоны смешения химических соединений. Разработка позволит нашей стране производить современные высокоэффективные, точные и безопасные реакторы небольшого размера для широкого спектра химических, фармацевтических и пищевых производств.
Химики РХТУ разработали новую конфигурацию микрореакторов для фармацевтической и пищевой промышленности / ©Getty images
Микрофлюидные проточные реакторы (микрореакторы) используются для синтеза различных веществ в каналах микро- и нанометрового размера. Они имеют меньший размер по сравнению с обычными емкостными реакторами, позволяют достичь существенно большей эффективности производственного процесса и безопасны.
«Микрофлюидные реакторы – это новое слово в химической технологии: они позволяют повысить эффективность работы химических производств, значительно снизить количество выбросов и отходов. При этом важно, что наши химики-технологи и инженеры не копируют зарубежные технологии, а предлагают новые, улучшенные конструкционные решения. Следующие этапы – это лицензирование, внедрение и масштабирование вместе с нашими отраслевыми партнерами», – отметил Илья Воротынцев, исполняющий обязанности ректора РХТУ.
Такие реакторы используются в производстве современных фармацевтических препаратов, причем милиструктурный реактор проточного типа производительностью 10 тысяч тонн в год способен заменить более 20 реакторов периодического действия.
«Обычный реактор долго нагревается, затем в нем несколько суток идет реакция. Пространство микрофлюидного реактора небольшое, сам процесс контролируем и идет быстрее. Существенно снижаются издержки. В мире микрофлюидные реакторы производят достаточно давно (в Швейцарии, Германии, США и Японии), однако в России они в силу разных причин не изготавливались. Возможность делать такие реакторы в нашей стране существенно расширит спектр возможностей по производству важных фармацевтических препаратов и других ценных химических соединений», – рассказал руководитель проекта Михаил Шишанов, доцент кафедры химической технологии природных энергоносителей и углеродных материалов РХТУ.
Микрофлюидные реакторы используются в работе со специальной химией, что подразумевает производство опасных или дорогостоящих соединений – например, ряда сложных фармацевтических препаратов. Возможность регулировать гидродинамику процесса позволяет достигать требуемой точности реакции. Кроме того, использование микрофлюидных поточных реакторов позволяет эффективно использовать производственные и лабораторные площади, масштабировать процессы за счет компактности и модульности конструкции. Однако такие реакторы сложны в изготовлении: для их производства требуются достаточно сложные расчеты.
Над конструкцией микрофлюидного реактора в РХТУ работает команда из пяти магистрантов Передовой инженерной школы химического машиностроения. Обучение в передовой инженерной школе выстроено таким образом, что студенты с первого курса бакалавриата вовлечены в работу над реальными отраслевыми проектами, каждый из которых запускается по заказу индустриального партнера университета.
«Каждая химическая реакция уникальна, и по факту под каждый процесс нужно создавать отдельный реактор с конкретными характеристиками. В мире такие компетенции есть у считанных компаний. Мы учим студентов отталкиваться от химического процесса и сопутствующих математических расчетов: важно получить вещество и затем подбирать условия для работы с ним, а не копировать конструкцию реактора у других производителей», – отмечает Михаил Шишанов.
Для определения оптимальной геометрии реактора сначала создается 3D-модель в CAD системах. Далее для данной геометрии проводится CAE и CFD расчет в таких программах, как Ansys Fluent или Comsol. В результате моделирования можно получить конкретные цифры по распределению концентраций, температур, скоростей в потоке, прочностные характеристики и так далее. Исходя из этих результатов происходит корректировка геометрии и цикл оптимизации повторяется. Используя данный подход, можно существенно сократить затраты на НИОКР, так как почти все проблемы конструкции решаются на начальной стадии проектирования.
При этом масштабирование проточной технологии для промышленной эксплуатации не является сложным (в отличие от емкостной), так как соблюдается геометрическое подобие. Таким образом, реализация проекта позволит ставить технологию химического процесса и поставлять ее заказчику «под ключ» вместе с оборудованием в составе комплексной лицензии на тот или иной химической продукт. Сегодня идет работа над оформлением заявки на патент миксерной зоны (зоны смешения) микрофлюидного реактора.
