表面微结构强化转盘反应器流型转变及微观混合性能研究.pdf

摘要

摘要

转盘反应器是一种新型的超重力过程强化设备，利用射流冲击旋转壁形成超重力

薄膜流，具有传热速率高、传质能力强、微观混合性能优异、易于放大和连续生产等

优点，广泛应用于沉淀、结晶、聚合及光催化等混合敏感反应领域。微观混合受控于

反应器表面液膜的黏性对流变形与分子扩散，高转速可在一定流量范围内促进混合过

程，但产物品质不能显著提升，并且面临比能量消耗急剧增长、结构稳定与安全性等

问题。因此，本文通过改善反应器表面结构以调控液膜流动行为，在较低转速下增强

微观混合，并阐释其内在机理，为强化反应过程提供指导意义。

本文基于可视化转盘反应器实验平台，针对五种微槽转盘结构，研究了操作条件

与介质物性参数对反应器表面液膜流动特性以及微观混合性能的影响规律，得出如下

主要结论：

（1）探明了微槽布置形式（周向、径向、微槽数量）对转盘表面液膜流型分布的

影响规律，总结了6种典型流型，包括未铺满型、光滑螺旋线型、光滑螺旋锯齿型、光

滑螺旋破碎型、不规则堆积型和不规则破碎型，阐释了每种流型的典型特征及存在范

围。相对光滑盘，未出现过渡态及反螺旋波结构，光滑螺旋区域扩大，尤其破碎区。

（2）绘制了液膜流动结构转变相图。微槽布置形式、操作条件以及介质物性不会

显著影响未铺满流型存在范围。同一微槽结构，光滑螺旋流型的转变主要受转速影

响，随着转速提高，将依次经历光滑螺旋锯齿和光滑螺旋破碎流型；不规则流型主要

受流量的影响，且随转速增大，逐渐由堆积型向破碎型转变。对于不同微槽结构，微

槽数量增多，未铺满流型分布范围更大；相对周向微槽，微槽在径向布置导致相对较

小的不规则流型存在范围，且更易出现破碎流型，同时光滑螺旋流型存在范围更广，

且规律性更强，可有效调控存在范围。

（3）基于数字图像处理，采用发生半径因子ղ量化了螺旋波的初始形成位置，总结

了ղ的变化规律。ղ随转速增大、流量减小而减小；介质表面张力减小导致ղ增大，且

低黏度流体的发生半径受微槽影响更大；分析了发生半径与同步半径以及局部埃克曼

数的关系。对于低黏度流体，周向微槽分布区域增大，随转速提高，发生半径先急剧

减小而后趋于平缓；周向微槽密度的增加，发生半径随转速提高存在不稳定性，相比

周向微槽，径向微槽的发生半径在较高转速下显著下降。

（4）利用碘化物-碘酸盐平行竞争体系表征了反应器的微观混合性能。研究发现，

微槽盘相比光滑盘，微观混合性能均有显著提升；微观混合效果随微槽分布范围的增

大而提高；周向微槽密度对离集指数的影响不大；相比周向微槽，径向微槽微观混合

强化效果更为显著。基于团聚模型估算了微观混合特征时间tm，在本文实验条件下tm

范围在0.04-2.19ms之间，并与相关研究进行了对比分析。

关键词：转盘反应器；微槽结构；液膜；微观混合

I

Abstract

Abstract

Thespinningdiscreactorisasanewtypeofhighgravityprocessintensification

equipment.Itusesthejetimpactingonaspinningwalltoformahighgravityfilmflow,which

hastheadvantagesofhighheattransferrate,highmasstransfercapacity,excellentmicromixing

performance,easytoscaleupandcontinuousproduction,etc.Itiswidelyusedinprecipitation,

crystallization,polymerizationandphotocatalysisandothermixingsensitivereactionfields.

Micromixingisco