Abstract Biodiesel synthesis can be performed in microreactors. These microdevices provide advantages for this process, since it can be conducted continuously at high conversion rates due to increased mixing and mass transfer. In this context, numerical simulations play a key role to take this technology to mass production. This study aims to address biodiesel synthesis, via transesterification of sunflower oil with ethanol and alkaline catalyst, in a structured microreactor. We applied a volume-of-fluid based model, implemented in OpenFOAM, in order to simulate mixing and reaction. We tested mixing of fluids for a range of Reynolds numbers, and we applied a Box-Behnken experimental design to investigate temperature, ethanol/oil molar ratio and catalyst concentration effects on oil conversion. Numerical results accurately predicted the highest oil conversion condition in comparison with experimental studies. We noticed a maximum oil conversion of 97.25% at 50 °C, 9:1 ethanol/oil molar ratio and 1.00% catalyst mass concentration, for a residence time of 12 s. Furthermore, the model proved to be more effective than others available in commercial software were. The computational tool developed in this study can be used by researchers and engineers involved in chemical processes, with emphasis on the area of continuous biodiesel production, both for the dimensioning of new reactors, and for understanding the dynamics of the process in existing reactors. Although this tool was developed in the context of microreactors, it could be applied to any reactor in continuous operation.

中文翻译：

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使用 OpenFOAM 在结构化微反应器中合成生物柴油的建模和仿真

摘要 生物柴油的合成可以在微反应器中进行。这些微型器件为该过程提供了优势，因为它可以由于增加的混合和传质而以高转化率连续进行。在这种情况下，数值模拟在将该技术投入批量生产方面发挥着关键作用。本研究旨在通过向日葵油与乙醇和碱性催化剂在结构化微反应器中的酯交换来解决生物柴油的合成问题。我们应用了一个基于流体体积的模型，在 OpenFOAM 中实现，以模拟混合和反应。我们测试了一系列雷诺数的流体混合，并应用 Box-Behnken 实验设计来研究温度、乙醇/油摩尔比和催化剂浓度对油转化率的影响。与实验研究相比，数值结果准确地预测了最高的油转化条件。我们注意到在 50 °C、9:1 乙醇/油摩尔比和 1.00% 催化剂质量浓度下，最大油转化率为 97.25%，停留时间为 12 秒。此外，该模型被证明比商业软件中可用的其他模型更有效。本研究中开发的计算工具可供参与化学过程的研究人员和工程师使用，重点放在连续生物柴油生产领域，既用于确定新反应器的尺寸，也用于了解现有反应器中的过程动力学。尽管该工具是在微反应器的背景下开发的，但它可以应用于任何连续运行的反应器。我们注意到在 50 °C、9:1 乙醇/油摩尔比和 1.00% 催化剂质量浓度下，最大油转化率为 97.25%，停留时间为 12 秒。此外，该模型被证明比商业软件中可用的其他模型更有效。本研究中开发的计算工具可供参与化学过程的研究人员和工程师使用，重点放在连续生物柴油生产领域，既用于确定新反应器的尺寸，也用于了解现有反应器中的过程动力学。尽管该工具是在微反应器的背景下开发的，但它可以应用于任何连续运行的反应器。我们注意到在 50 °C、9:1 乙醇/油摩尔比和 1.00% 催化剂质量浓度下，最大油转化率为 97.25%，停留时间为 12 秒。此外，该模型被证明比商业软件中可用的其他模型更有效。本研究中开发的计算工具可供参与化学过程的研究人员和工程师使用，重点放在连续生物柴油生产领域，既用于确定新反应器的尺寸，也用于了解现有反应器中的过程动力学。尽管该工具是在微反应器的背景下开发的，但它可以应用于任何连续运行的反应器。事实证明，该模型比商业软件中可用的其他模型更有效。本研究中开发的计算工具可供参与化学过程的研究人员和工程师使用，重点放在连续生物柴油生产领域，既用于确定新反应器的尺寸，也用于了解现有反应器中的过程动力学。尽管该工具是在微反应器的背景下开发的，但它可以应用于任何连续运行的反应器。事实证明，该模型比商业软件中可用的其他模型更有效。本研究中开发的计算工具可供参与化学过程的研究人员和工程师使用，重点放在连续生物柴油生产领域，既用于确定新反应器的尺寸，也用于了解现有反应器中过程的动力学。尽管该工具是在微反应器的背景下开发的，但它可以应用于任何连续运行的反应器。以及了解现有反应器中过程的动力学。尽管该工具是在微反应器的背景下开发的，但它可以应用于任何连续运行的反应器。以及了解现有反应器中过程的动力学。尽管该工具是在微反应器的背景下开发的，但它可以应用于任何连续运行的反应器。