反应结晶两相微观混合的数学模型和模拟

反应结晶等快反应的微观混合作用明显、调控困难。现有研究针对低浓度体系，模型与模拟均基于单相，用于实际较高浓度体系时偏差大。本项目采用CFD描述宏观混和与流场空间分布，概率密度函数（PDF）方法描述微观混合，首先基于单相CFD-PDF耦合模型，结合多相湍流和传递机理，建立两相CFD-PDF微观混合模型；其次结合反应结晶（粒数平衡方程PBE），考虑相间质量传递，建立两相微观混合、流动、反应与结晶（成核、生长、团聚和破碎）的耦合模型，即两相CFD-PDF-PBE；反应结晶实验以常用的搅拌槽为结晶器，以结晶动力学较可靠的BaSO4沉淀作为模型体系，实时在线获得体系粒径分布（CSD）与相含率分布，用于验证模拟结果并改进模型；模拟考察反应条件、操作参数、内构件、桨型等对反应结晶体系微观混合的影响规律以及与晶体大小和CSD的定性定量关系，为搅拌槽反应结晶过程的调控与优化设计提供机理性基础数据。

根据基金课题的主要研究内容和拟解决的关键问题， 本课题研究取得的主要进展为：(1) 两相PDF微观混合模型与耦合模拟：基于Eulerian-Eulerian多流体的观点，将单相有限节点的概率密度函数模型扩展为两相形式，即TP-FM-PDF(two-phase finite-mode probability density function)两相微观混合模型。将宏观混合过程、微观混合模型、多相流场和沉淀动力学耦合，来模拟液液两相体系（煤油-水）中微观混合对硫酸钡沉淀反应的影响。同时实验研究了该液液搅拌槽内微观混合对硫酸钡快速沉淀过程的影响，并将实验测量结果与模拟结果进行了对比, 表明多相体系采用单相微观混合模型模拟误差大，采用多相微观混合模型改进明显。(2) 搅拌槽高浓度反应结晶过程实验研究：采用Malvern在线粒度仪，实时在线测量研究了氢氧化镍络合沉淀过程操作参数的影响。系统考察并获得了转速、进料位置、桨型、桨径、温度、浓度、pH等参数对沉淀过程的影响规律。(3) 搅拌槽液固两相微观混合实验研究：系统考察并获得了了固含量、转速、进料位置，桨间距、桨组合等对固液体系微观混合的影响规律。(4) 三维离散化反应结晶过程模拟：采用离散化方法封闭PBE(population balance equation),考虑颗粒团聚，建立了离散化的CFD-PBE方程，以搅拌槽内硫酸钡沉淀过程为模型体系，首次进行了三维空间粒度离散化的直接模拟。. 标注基金课题号21106154的已发表期刊论文10篇（SCI论文8篇、EI论文2篇），包括1篇AIChE J., 4篇Chem. Eng. Sci.；会议报告5篇（国际会议报告4篇），英文专著1章。申请国际发明专利1件，授权中国发明专利1项。指导毕业硕士生两名(分别参与液固体系微观混合研究和反应结晶在线测量)，协助指导博士毕业生一名(参与两相PDF微观混合模型与耦合模拟研究) . 本课题研究完成了计划任务书的主要研究内容和研究目标，课题相关研究成果超过申请书中的预期研究成果。本课题还额外增加了研究内容：研究主要进展(3)和(4)以及进展(1)中的液液体系反应结晶实验研究为根据课题需要增加的研究内容。