新型化学反应器的微观混合实验、理论及应用研究

【摘要】在两种或多种反应物之间发生化学反应前,它们必须首先在分子尺度上进行混合接触。微观混合(即分子尺度上的混合)是流体混合的最后阶段,通常包括流体微元的粘性变形以及随之而来的分子扩散过程。在一些化学反应时间尺度和混合时间尺度相当或小于混合时间尺度的反应过程中,微观混合发挥着重要的作用。一些工业过程如结晶、沉淀、聚合等都显著的受到微观混合均匀程度的影响。在这些过程中,由于大都涉及到快速反应过程,在反应物达到分子尺度的均匀化之前反应已经发生或完成了。因此,反应物的转化率、产物的选择性、产物粒度分布和分子量分布等都受到微观混合的显著影响。所以,为了改善产品特性以获取最大的经济效益,需要从实验和理论上来研究一些化学反应器的微观混合性能。本论文借助于一种碘化物—碘酸盐平行竞争反应体系实验考察了三种不同类型的化学反应器—管式(填充)反应器,旋转填充床(RPB)反应器和微通道反应器—的微观混合效率(以离集指数Xs表征)及各操作条件对微观混合效率的影响规律。基于实验结果和前人的研究,本论文还从理论模型上对微观混合进行了研究,首次计算得到了RPB的微观混合特征时间尺度。这些工作为上述反应器的工业应用提供了一定的理论指导。最后,基于微观混合的实验和理论研究结果,开展了用超重力法(RPB为核心反应设备)制备油溶性纳米铜润滑油添加剂的放大研究。本论文主要工作如下：1、设计了一台可实现沿填料径向取样的旋转填充床(RPB)进行实验研究,首次从实验上证实了RPB填料端效应区的存在及其对强化微观混合过程的重要性。这为我们以后在RPB的工业应用中优化填料厚度(提高经济效益)提供了重要的依据。2、管式(填充)反应器的实验结果表明：管式(填充)反应器中反应物料的离集主要出现在物料的初始接触区域且随流量的增加离集程度减轻(Xs减小)；丝网填料的加入能明显强化管式(填充)反应器的微观混合性能,使Xx降低。RPB的微观混合实验结果表明：提高转速可明显改善微观混合,使离集指数(Xx)降低；反应物流量的增加也造成Xs的降低,但降低幅度很小；在恒定的反应物摩尔比下,Xs随反应物浓度的减小而降低。微通道反应器的实验结果表明：微通道反应器具有非常好的微观混合效率(较小的Xs)；Xs随反应物流量的增加而减小,即应用中可以通过增大反应物流量而同步得到较高的微观混合效率和处理量。3、基于前人对RPB内流体流动的可视化观察结果和对流体流动进行合理假设,首次计算得出RPB内的能量耗散率可达103W/kg,远远大于搅拌槽反应器的能量耗散率。结合能量耗散率的计算,采用经典的卷吸模型(E-model)对RPB的微观混合进行研究。卷吸模型的计算结果和实验结果基本吻合,能够正确反映操作参数对微观混合效率的影响。此外,在前人对混合流体微元采用高速频闪摄影技术可视化研究的基础上,提出一种片状收缩(Slab-shrinking)微观混合模型来模拟微通道内反应物流量对Xs的影响规律。模型结果和实验结果吻合良好,表明该片状收缩模型能正确预测微通道反应器内反应物流量对微观混合效率的影响规律。研究结果对于上述反应器用于纳米颗粒的制备等相关领域应用具有一定的理论指导价值。4、为了进一步认识和利用RPB内的混合机理以及为RPB用于特定反应过程的新工艺开发提供理论依据,本文建立了RPB微观混合特征时间尺度的估算模型。在实验研究的基础上,通过两种途径对RPB的微观混合特征时间尺度进行了估算。一种是结合能量耗散率计算的Kolmogorov微观混合理论,一种是团聚模型。两种方法给出了类似的结果,即RPB内的微观混合特征时间约为10r4s。与其他常规混合设备相比,RPB是一种具有优异微观混合性能的混合/反应器。5,超重力法制备油溶性纳米铜润滑油添加剂的放大研究结果表明：采用超重力法可以制备出合格的纳米铜润滑油添加剂,产品批次重现性好,无放大效应。这充分证明RPB具有优异的微观混合性能,保障了快速反应结晶的过程可控性,使工业放大容易。
【作者】杨海健；
【导师】陈建峰；
【作者基本信息】北京化工大学，化学工程，2007，博士
【关键词】微观混合；离集指数；碘化物—碘酸盐反应体系；旋转填充床；管式(填充)反应器；微通道反应器；模型化；纳米铜；

【参考文献】
[1]张蕊.糠醛气相加氢制糠醇催化剂的研究[D].中北大学,工业催化,2014,硕士.
[2]程天英.雌激素对肝星状细胞LX-2趋化因子CXCL10表达及迁移的影响[D].华中科技大学,内科学,2013,硕士.
[3]鲍晓红,贾英民.用含动态隐层的前馈网辨识非线性系统[J].自动化学报,1997,05:115-119.
[4]钱小辉.基于水平集方法微流控芯片流量分配器结构优化设计[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）,机械制造及其自动化,2012,硕士.
[5]周峰,王泽.为书籍插上想象的翅膀——浅谈荷兰书籍设计师伊玛·布[J].设计,2015,01:94-95.
[6]李大达,李雨膏,杨沙沙,霍乃礼,权朋.铁合金电炉电极的微型机控制装置[J].冶金自动化,1983,S1:46-50.
[7]吕文娥,江秀臣.电力市场下的逐步加线规划[J].电力系统自动化,2007,16:35-39+49.
[8]王欢.基于立体视觉的LED手术无影灯自适应调光技术基础研究[D].南京航空航天大学,测试计量技术及仪器,2013,硕士.
[9]吴昊.考虑非平稳性的顺风向脉动风速修正谱研究[D].哈尔滨工业大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[10]李玉婷.“乐蜂网”市场推广营销策略研究[D].湖北工业大学,艺术设计（专业学位）,2013,硕士.
[11]帅奕帆.技术实践的反思与批判[D].吉林大学,马克思主义哲学,2014,硕士.
[12]赖耀全.并购企业营销整合战略的研究[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[13]陈磊,闵勇,胡伟.基于振荡能量的低频振荡分析与振荡源定位(一)理论基础与能量流计算[J].电力系统自动化,2012,03:22-27+86.
[14]赵传立,张庆灵,唐恒永.一类线性加工时间单机调度问题(英文)[J].自动化学报,2003,05:703-708.
[15]王馨.2D各向同性和各向异性介质中高阶交错网格有限差分波场模拟[D].长安大学,固体地球物理学,2014,硕士.
[16]张牛牛.车载通信总线时域分析方法研究[D].西安电子科技大学,机械电子工程,2012,硕士.
[17]黄文鹏.应用PCR技术检测肝内胆管结石蛔虫ITS-2序列的研究[D].广西医科大学,肝胆外科,2004,硕士.
[18]秦方.基于IMIA国际倡议的我国医学信息管理本科课程体系构建[D].华中科技大学,情报学,2013,硕士.
[19]高云,倪培根,张守著.2011年度物理科学一处科学基金项目分析综述[J].物理,2012,01:48-51.
[20]明瑞权.地球站功率控制仿真系统设计[D].华中师范大学,电路与系统,2013,硕士.
[21]李攀宏.基于RTDS的高速铁路车网耦合建模与仿真研究[D].西南交通大学,电力系统及其自动化,2014,硕士.
[22]岳彪.双层微齿轮模具型腔镶块电铸层均匀性的ANSYS模拟与优化[D].华东理工大学,机械设计及理论,2014,硕士.
[23]贾静.超声微钙化显示技术在乳腺癌诊断中的应用[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[24]李静.纳米二氧化钛的合成及其表面包覆研究[D].广西大学,应用化学,2004,硕士.
[25]马跃坤.用于动态车辆识别的高速远距离RFID读写设备研究与实现[D].浙江工业大学,2010.
[26]王铭初.空调发电车燃油消耗监测分析管理系统设计[D].西南交通大学,车辆工程,2013,硕士.
[27]田桂花.转型时期的中国法治及其主体性建构[D].中国政法大学,法学理论,2014,硕士.
[28]赵凯.伤椎置钉对胸腰椎骨折后凸畸形复发及伤椎邻位椎间盘退变的影响[D].山东大学,外科学（专业学位）,2012,硕士.
[29]张天伦.井中有套管情况下用直流电阻率法确定油气藏边界的实验与研究[J].石油地球物理勘探,1993,03:314-324+378.
[30]邵帅.盐碱胁迫下野生大豆幼苗光合特性与离子动态平衡研究[D].东北师范大学,植物学,2012,硕士.
[31]李艳灵,李刚.基于文本数据的数据挖掘算法研究[J].新乡师范高等专科学校学报,2003,02:35-37.
[32]潘静.保健品诚信营销问题研究[D].沈阳理工大学,企业管理,2013,硕士.
[33]周印.舒适牵引治疗神经根型颈椎病80例临床疗效观察[D].广州中医药大学,中医骨伤科学（专业学位）,2013,硕士.
[34]MamadyAlkalyCamara.Time/Resource Trade-Off in Project Management: Analysis and Impacts on Project Performance[D].河海大学,2004,硕士.
[35]胡琼月.劳动群体纠纷诉讼解决机制研究[D].华侨大学,法律,2014,硕士.
[36]冯艳泽.提高我国政府公信力路径探析[D].首都师范大学,政治学理论,2013,硕士.
[37]李璐.论征税权的宪法规制[D].江西财经大学,经济法学,2013,硕士.
[38]刘艳辉.高动态范围图像合成显示系统设计与实现[D].西安电子科技大学,计算机系统结构,2012,硕士.
[39]蔡春艳.女孩特发性中枢性性早熟的基因多态性及环境因素研究[D].福建医科大学,儿科学,2014,硕士.
[40]王美玲.多杀菌素高产菌株的选育及发酵工艺的优化[D].天津大学,生物工程,2013,硕士.
[41]王庆军.以人为本视域下的农村文化载体建设研究[D].山西师范大学,马克思主义理论,2013,硕士.
[42]楚楚,陈岑,李行诺,程冬萍,颜继忠.红参炮制对质量影响的研究进展[J].中药材,2014,05:901-905.
[43]李凤伟.黑龙江省三种蛙肝脏中化学成分及其药理作用研究[D].佳木斯大学,生药学,2014,硕士.
[44].中国大学分学科门类竞争力排行榜(前20%)[J].评价与管理,2014,01:64-75.
[45]孙海峰.论侦查程序价值的多元化及其整合[D].华东政法学院,诉讼法学,2003,硕士.
[46]车学海.基于Bootstrap方法的公司债券信用风险研究[D].南京大学,应用统计（专业学位）,2013,硕士.
[47]李莉.SCOOpenServer5.0.4新版本简介[J].铁路计算机应用.1997(05)
[48]徐杰.枯草芽孢杆菌nja133的抗生素抗性选育及肉品应用研究[D].南京农业大学,食品科学,2012,硕士.
[49]雍新春.江苏省参与国际分工影响因素的实证分析[D].南京财经大学,国际贸易学,2012,硕士.
[50]郑承坤.论劳务派遣中劳动者权益保护法律制度的完善[D].中国海洋大学,法律（专业学位）,2014,硕士.