泰勒反应器内微细颗粒固液两相流动与传递性能及调控规律

Understanding of the mechanism of intensification of precipitation and crystallization process in Taylor vortices is crucial for further development and improvement on design of Taylor reactors. Since solid particles and carrier liquid phase are the fundamental compositions for a precipitation or crystallization system, study of the liquid-solid two phase flow and transport characteristics in a Taylor reactor is of upmost importance for revealing the intensification mechanism of Taylor vortex. This project will comprehensively employ experimental, numerical simulation and theoretical analysis methods to investigate the effect of reactor structure, operation conditions and transport characteristics of the micro-fine particles and liquid mixture phase in the Taylor reactor on liquid-solid two-phase flow and multi-scale mixing behavior, clearly demonstrating the correlation of fluid dynamics of Taylor vortices with the Taylor reactor structures and corresponding operating conditions. A novel Taylor reactor with the optimized inner structure will be proposed accordingly. Utilising the homogeneous fluid dynamics environment formed in the optimized Taylor reactor, mass transfer between micro-fine particles and liquid phase will be experimentally investigated, and a new model for global mass transfer coefficient will be formulated based on the local mass transfer coefficient which usually changes significantly due to spacial inhomogeneity of turbulent dissipation rate distribution in traditional stirred reactors. The mass transfer experimental data and numerical modeling results will be used to obtain the model parameters in the new mass transfer coefficient model by regression, aiming to reveal the mechanism of micro particles and liquid phase mass transfer. It is anticipated that the results of this project will further enrich the theory of solid-liquid mass transfer and promote the development of reactor technology, providing a sound theoretical basis for revealing the intensification mechanism using Taylor reactor on the precipitation and crystallization process.

作为能够显著强化沉淀与结晶过程的一种反应器-泰勒反应器, 其强化机理迫切需要进一步深入探究。固体颗粒与液相是沉淀或结晶体系的最基本组成，研究泰勒反应器内固-液两相流动与传递性能是揭示其强化机理的重要前提。本项目将综合应用实验、数值模拟与理论分析方法，研究反应器结构、操作条件与物系属性对泰勒反应器内液-固两相流动与多尺度混合的影响规律，阐明反应器结构及操作条件与泰勒涡流体力学特征之间内在关联，优化泰勒反应器结构。利用新结构泰勒反应器内均匀的流体力学环境，实验研究微细颗粒与液相之间的传质行为；构建基于局部传质系数的体平均传质系数模型，结合湍流动能耗散率模拟数据和传质实验结果回归模型参数，揭示微细颗粒与液相传质机制。本项目研究成果将进一步丰富固-液传质理论和促进反应器技术的发展，为深入揭示泰勒反应器强化沉淀与结晶过程机理提供理论依据。

泰勒反应器因其特殊的流场结构特性，在沉淀结晶与微细颗粒材料制备方面的性能显著强于传统搅拌反应器, 因此，有必要深入研究泰勒反应器内流动与固液传递性能是揭示其强化沉淀结晶构成机理。本项目综合应用实验、模拟与理论分析方法，研究反应器结构与操作条件对泰勒反应器内液-固两相流动与多尺度混合的影响规律，以阐明反应器结构及操作条件与泰勒涡流体力学特征之间内在关联，优化泰勒反应器结构。利用新结构泰勒反应器内均匀的流体力学环境，实验研究微细颗粒与液相之间的传质行为；构建传质系数模型，探索微细颗粒与液相传质机制。在本项目的开展过程中，首次提出了多种不同结构的旋转内筒以调控反应器内流场结构与湍流特性，包括：包裹不锈钢网具有粗糙壁面的圆形内筒、具有波浪形表面结构的旋转内筒、花瓣形内筒、双曲线三角形内筒；并采用PIV实验手段进行了深入细致的流场结构测试与分析。流场研究发现，该变旋转内筒表面粗糙度以及旋转内筒横截面形状（花瓣、波纹、双曲线三角形）均能够显著改变平均流场结构、涡旋动态行为以及湍流强度，特别是近壁面湍流强度特性，整体湍流动能提高2-5倍，显示出强化化学反应过程中传热与传质的重大潜力。混合研究表明，新型花瓣内筒能够显著缩短宏观混合时间，特别是低转速条件下能够比经典圆形内筒减少50%；花瓣形内筒以及双曲线三角形能够显著改善微观混合，在高转速下它们的离集指数仅为光滑圆筒的一半。为了验证内筒设计的应用价值，采用了花瓣形内筒与经典光滑内筒进行了硫酸钡颗粒材料的制备研究，发现新结构能够制备出粒度更小且分布更为均匀的颗粒，结合流场的数值模拟结果以及微观混合数据，探讨了内筒结构优化调控颗粒沉淀过程的机制。本项目研究成果将进一步丰富固-液传质理论和促进反应器技术的发展，为深入揭示泰勒反应器强化沉淀与结晶过程机理提供了部分理论依据。.本项目研究成果将进一步丰富固-液传质理论和促进反应器技术的发展，为深入揭示泰勒反应器强化沉淀与结晶过程机理提供理论依据。