气升式内环流反应器中微观混合和反应结晶的实验及数值模拟研究

As industrial crystallizers and crystallization lead to scab and motor sealing problems, an internal airlift loop reactor (IALR) is proposed as the reactive crystallization equipment. The multiphase micromixing in the IALR is investigated by experiment, mathematical model and CFD simulation. Homogeneous precipitation of ZnO is used as the reactive crystallization system to study the micromixing in gas-liquid systems, with focus on the influence of operation conditions, reactor configurations and the properties of the dispersed phase, etc. Based on the experimental results, a two-phase CFD-based reactive crystallization model combined with the population balance equation (CFD-PBE) is developed to reveal the mechanism about how the bubble aggregation-breakage of the dispersed phase impacts the continuous phase on micro-mixing scale and crystal size distribution. The simulated results are compared against the experimental data, which can shed new light on improvement of the two-phase micromixing model. The combination of experiments and CFD modeling can gain an in-depth understanding of the micromixing mechanism in multiphase systems. The study is expected to lay solid theoretical foundation for the design and optimization of reactive crystallization process in internal airlift loop reactors.

针对导致工业结晶器易结疤及电机密封等问题，采用气升式内环流反应器为反应结晶设备。采用实验、理论和数值模拟相结合的方法，针对如何实现复杂反应结晶体系的微观混合调控及强化的关键科学问题，首先以氧化锌均匀沉淀为反应结晶实验体系研究多种操作条件、反应器结构和分散相性质等条件对多相微观混合的影响规律。在实验基础之上，基于宏观流动模型，结合气泡、颗粒聚并（团聚）-破碎模型PBE，针对实际反应结晶体系进行数值模拟，揭示气升式内环流反应器内分散相气泡聚并-破碎对连续相中微观混合及反应结晶体系中粒子尺寸分布的影响机制，建立流动、反应结晶过程耦合的数学模型（CFD-PBE），为气升式内环流反应器中反应结晶过程的调控与优化设计奠定理论基础。

反应结晶是一个很重要的单元操作，可以在一个相对较低的能耗水平和温和的操作条件下一步操作获得高纯度的产品，因此在工业上有广泛的应用，如作为超细粒子、药物、催化剂、电子陶瓷材料、颜料及各种助剂等产品的生产制备。大部分工业结晶器经常使用搅拌或者泵设备来提供混合和晶粒悬浮的动力，这就导致了晶体颗粒和结晶器机械部件之间的强烈的机械碰撞，从而增强了颗粒的磨损。由此导致的二次成核会使晶体平均粒径减小，晶体粒度分布变宽，而这与许多工业过程希望得到大尺寸、窄颗粒分布的期望是相反的。而环流反应器作为结晶器，与传统的搅拌槽结晶器相比，具有以下优势：（1）由气体驱动混合，减少了颗粒的机械磨损；（2）剪切力小且更加均匀，尤其适合于一些生化过程；（3）投入和操作费用低。这些特点使得气升式环流反应器在一些特殊过程中成为一种新的结晶器的选择。然而，对于环流反应器中的反应结晶过程，尚未有人对其进行过研究。. 本项目首先通过正交实验，探索了环流结晶器中制备球形氢氧化镍的工艺条件，通过与搅拌结晶器中氢氧化镍的结晶过程进行对比分析，完善了球形氢氧化镍生长机制。在此基础上，在环流结晶器中依次探索了初始氨水添加量、pH、加料方式、导流筒长度和气体流量等操作条件对Ni(OH)2结晶过程的影响，优化了环流结晶器中制备Ni(OH)2的工艺条件。. 本工作在OpenFOAM环境下开发了一个求解器用来对环流反应器中的反应结晶过程进行模拟。利用CFD-PBE耦合模型求解流场及气泡大小分布，在此基础上联合求解组分传输和颗粒尺寸的矩方程，数值模拟环流反应器内的结晶过程。同时考虑了气液两相的传质和反应过程，可以对气液反应结晶过程进行模拟。利用该求解器对环流反应器内CO2溶于Ca(OH)2溶液生成CaCO3沉淀的过程进行了模拟，并且考察了化学反应增强因子、不同结晶动力学模型、反应物初始浓度对模拟结果的影响。建立了流动、反应结晶过程耦合的数学模型，为气升式内环流反应器中反应结晶过程的调控与优化奠定了理论基础。