噴射反應器

2019年，經(jīng)全國科學技術(shù)名詞審定委員會審定發(fā)布。2100433B

用于氣液、液液或氣液固反應的設備。由反應釜和射流噴嘴等組成，利用流體通過射流噴嘴形成高速流動使各相密切接觸混合，在反應器內(nèi)均勻分散或混合或懸浮并完成反應。

本項目針對快速共沉淀反應的過程強化問題，以噴射反應器強化微觀混合、可控制備吡啶硫酮鹽粉體材料為研究對象，采用實驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究微觀混合與合成的顆粒性能之間的科學規(guī)律，實現(xiàn)對微納尺度粉體材料的可控制備。具體來說，通過實驗研究噴射反應器的微觀混合狀態(tài)、反應條件等因素對合成的吡啶硫酮鹽的形貌、大小、粒徑分布、以及團聚體的分形結(jié)構(gòu)特征等的影響規(guī)律，在此基礎上，探索湍流剪切流控制分散液中顆粒團聚的科學規(guī)律和方法；同時對噴射共沉淀反應過程進行數(shù)值模擬，重點在大渦模擬層面耦合密度泛函方法，建立噴射共沉淀過程的數(shù)值計算方法，并與實驗結(jié)果相互印證；另外，項目還預期建立光散射手段研究分散液中不規(guī)則顆粒形貌及其團聚體的分形結(jié)構(gòu)特征的數(shù)學模型。項目的研究成果對于揭示微觀混合與化學共沉淀反應之間的科學規(guī)律具有重要意義，可以為噴射共沉淀法可控制備微納尺度粉體材料的工業(yè)應用提供科學的指導依據(jù)。

項目主要針對反應結(jié)晶和溶劑結(jié)晶過程強化問題，采用噴射反應器和新型自吸式攪拌槳強化微觀混合、可控制備吡啶硫酮鹽、硫酸鋇、氯化鈉、碳酸鈣等微米或者納米級粉體材料。項目首先利用實驗研究和大渦模擬方法，在傳統(tǒng)射流噴射混合的基礎上引入旋流進一步強化混合過程，混合時間尺度可以達到數(shù)毫秒。利用開發(fā)的強湍流噴射反應器成功實現(xiàn)了數(shù)十納米~數(shù)微米粉體顆粒材料的制備，且制備的顆粒具有粒徑大小可調(diào)、粒徑分布窄的優(yōu)點。項目建立了反應結(jié)晶和溶劑結(jié)晶過程的數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究了反應器內(nèi)的微觀混合狀態(tài)對過飽和度分布、成核和生長速率的影響規(guī)律，揭示了噴射反應器調(diào)控顆粒大小和分布的本質(zhì)機理。以氯化鈉-水-乙醇為模板結(jié)晶體系，建立了研究結(jié)晶過程成核和生長動力學的科學方法。綜合利用SEM、TEM、靜態(tài)光散射等方法對顆粒的形貌、大小和粒徑分布進行了系統(tǒng)研究，建立了光散射手段評價懸浮液中顆粒團聚體的形貌和大小的數(shù)學方法。采用數(shù)值模擬方法，獲得了Z形微通道內(nèi)的湍流剪切流的湍流特性、剪切應力的分布情況，并研究了Z形微通道內(nèi)懸浮液中納米顆粒的團聚規(guī)律。項目同時提出了一種新型自吸式攪拌槳設計方法，采用實驗研究和數(shù)值模擬方法，獲得了該攪拌槳的吸氣過程機理和釜內(nèi)的流動特征，以及用于氣液相反應時的氣液傳質(zhì)性能，與傳統(tǒng)的鼓氣式攪拌釜相比，可以將氣液傳質(zhì)性能提高2-5倍，利用該反應器成功制備了30-50nm、粒徑分布窄的納米碳酸鈣產(chǎn)品。項目同時研究了懸浮液制備粉體顆粒的后處理方法，提出了吸水樹脂耦合冷凍干燥后處理技術(shù)，可降低干燥過程能耗、提高干燥效率，制備無團聚、二次分散性能好的微米納米顆粒材料。

圖1是US5,117,048披露的孔射流式噴射反應器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是US5,931,579披露的反應器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是《一種快速混合反應器及其應用》所提供反應器的一種優(yōu)選實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是《一種快速混合反應器及其應用》所提供反應器的另一種優(yōu)選實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5a-圖5c是《一種快速混合反應器及其應用》中所述空心葉輪物料分布器上進料噴射口的設置方式示意圖；

圖6a-圖6c是《一種快速混合反應器及其應用》中所述第一進料分布器上進料噴射口設置方式示意圖。