В данной статье проведено комплексное сравнительное исследование различных геометрических характеристик микрокапилляров, которые используются для проведения химических реакций. Рассмотрены три основные формы микрокапилляров: серпантинная, фрактальная и лобулярная. Основное внимание уделено тому, как геометрия микрокапилляров влияет на ключевые параметры реакционного процесса, включая эффективность смешения реагентов, распределение потоков, теплопередачу и скорость реакции. Оптимизация этих параметров является крайне важной для повышения производительности химических процессов в микромасштабах. Для моделирования использовалось программное обеспечение COMSOL Multiphysics, которое дало возможность провести оценку гидродинамических характеристик, таких как число Рейнольдса, коэффициенты перемешивания и профиль распределения температуры. В исследование также включены расчеты критериев, используемых для количественной оценки эффективности смешения реагентов. Кроме численного моделирования, проведены эксперименты, результаты которых использовались для верификации полученных расчетных данных. Это позволило повысить точность и достоверность выводов. Результаты исследования показывают, что выбор геометрии микрокапилляров оказывает значительное влияние на гидродинамические параметры течения и, следовательно, на общую эффективность химических реакций. Например, серпантинная геометрия может обеспечивать лучшее перемешивание на ранних этапах реакции, тогда как кишкообразная форма может быть оптимальной для длительных процессов с высокой скоростью теплообмена. Выводы данной работы содержат практические рекомендации по выбору геометрии микрокапилляров в зависимости от специфики химической реакции. На примере самоконденсации ацетона была выявлена подходящая геометрия – лобулярная. Рекомендации направлены на повышение производительности, улучшение качества продуктов реакции и снижение энергетических затрат.

1. Yan L., Wang S., Cheng Y. Numerical Simulation of Mixing Process in a Splitting-and-Recombination Microreactor // Frontiers in Chemical Engineering. 2022. V. 3. P. 1-12. https://doi.org/10.3389/fceng.2021.803861

2. García-López I., Águeda V.I., Garrido-Escudero A. Hydrodynamic behavior of a novel 3D-printed nature-inspired microreactor with a high length-to-surface ratio // Chemical Engineering Journal Advances. 2023. V. 13. P. 1-9. https://doi.org/10.1016/j.ceja.2022.100438

3. Bojang A.A., Wu H.S. Design, fundamental principles of fabrication and applications of microreactors // Processes. 2020. V. 8. №. 8. P. 891-922. https://doi.org/10.3390/pr8080891

4. Ruther T., Muller M.-A., Bonrath W., Eisenacher M. The Production of Isophorone // Encyclopedia. 2023. №. 3. P. 224-244. https://doi.org/10.3390/encyclopedia3010015

5. Houssaini J. et al. Study of the Catalytic Activity of the Compounds Hydrotalcite Type Treated by Microwave in the Self‐Condensation of Acetone // International Journal of Analytical Chemistry. 2021. V. 2021. №. 1. P. 15-21. https://doi.org/10.1155/2021/1551586

6. Veshchitsky G.A. et al. Self-Condensation of Acetone of Strontium Stannate under Supercritical Conditions // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2021. V. 15. №. 8. P. 1299-1302. https://doi.org/10.1134/S1990793121080133

7. Liu Y., Luo W.Y. YMgAl-LDO Synthesis and its Catalytic Performance for Preparation of Isophorone by Condensation of Acetone // Current Micro-Nano Science and Technology. 2015. №. 1118. P. 265-269. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1118.265

8. Пат. № 2807773, RU, F15D 1/00. Mодульный проточный микрофлюидный реактор для проведения химических реакций при высоких давлении и температуре/ Яшунин Д.В., Кук Х.Г., Большаков И.А., Досов К.А., Шишанов М.В., Колобов В.В. № 2023106740; Заявл. 22.03.2023; Опубл. 21.11.2023, Бюл. № 33.

9. Ruther T. et al. The Production of Isophorone // Encyclopedia. 2023. V. 3. №. 1. P. 224-244. https://doi.org/10.3390/encyclopedia3010015

10. Yao C. et al. Two-phase flow and mass transfer in microchannels: A review from local mechanism to global models // Chemical Engineering Science. 2021. V. 229. P. 29-47. https://doi.org/10.1016/j.ces.2020.116017

11. Wang X., Hu Sh., Yang X., Zheng Sh. Thermal stability and kinetic analysis of isophorone diisocyanato // Thermochimica Acta. 2023. V. 727. P. 179-574. https://doi.org/10.1016/j.tca.2023.179574

12. García A., Marín P., Ordóñez S. Production of renewable mesitylene as jet-fuel additive: Reaction kinetics of acetone self-condensation over basic (TiO2) and acid (Al-MCM41) catalysts // Fuel Processing Technology. 2024. V. 253. P. 108-110. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2023.108007

13. Reynolds J.P., Thompson T.N., Pritchard C.Q., Schulz M.D. et al. Chemorheological Kinetic Modeling of Uncatalyzed Hydroxyl-Terminated Polybutadiene and Isophorone Diisocyanate // Macromol. Mater. Eng. 2024. V. 309. P. 23-34. https://doi.org/10.1002/mame.202300423

14. Herran R., Molinari F., Cimas A., Karp F., Amalvy J. Synthesis and characterization of bio‐based poly(urethane‐urea) nanocomposite coatings employing cellulose nanocrystals incorporated by two different routes // Polymer Composites. 2024. V. 45. P. 11-29. https://doi.org/10.1002/pc.28602

15. Tkachuk A.I., Zagora A.G., Terekhov I.V. et al. Isophorone Diamine - A Curing Agent for Epoxy Resins: Production, Application, Prospects. A Review. // Polym. Sci. Ser. D. 2022. V. 15. P. 171-176. https://doi.org/10.1134/S1995421222020289

16. Ahmed M.I. Elkhaiary, Bartosz Rozmysłowicz, Jher Hau Yeap, Michael H. Studer et al. Kinetic Network Modeling of the Catalytic Upgrading of Biomass’s Acetate Fraction to Aromatics // Energy Fuels. 2023. V. 37. №. 20. P. 16172-16180

17. Chen L., Zheng K., Wang Y., Duan X. et al. Study of UV-cured tung oil-based polyalcohol resin with isophorone diisocyanate as crosslinker // European Polymer Journal. 2024. V. 218. P. 113-118. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2024.113348

18. Arnould P., Simon F., Fouquay S., Pardal F. et al. Harnessing Catalysis Selectivity and Isophorone Diisocyanate Asymmetry for Tailored Polyurethane Prepolymers and Networks // Macromolecules. 2022. V. 55. №. 8. P. 3344-3352. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.1c02491

19. Etminan A., Muzychka Y.S., Pope K. A review on the hydrodynamics of Taylor flow in microchannels: Experimental and computational studies // Processes. 2021. V. 9. №. 5. P. 870-879. https://doi.org/10.3390/pr9050870

20. Kose H.A., Yildizeli A., Cadirci S. Parametric study and optimization of microchannel heat sinks with various shapes // Applied Thermal Engineering. 2022. V. 211. P. 118-136. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118368