新型反應(yīng)器微觀混合—沉淀過程的理論、實驗及應(yīng)用研究.pdf

1、典型的反應(yīng)沉淀過程是兩種液體混合后，反應(yīng)產(chǎn)生過飽和度，然后發(fā)生成核、生長和團聚。如果沉淀動力學(xué)的時間尺度遠長于混合時間，兩股液體的混合過程快于反應(yīng)，此時最后產(chǎn)物特性主要依靠物化參數(shù)，而不是混合條件。實際上，沉淀過程通常非?？?，導(dǎo)致了在反應(yīng)器內(nèi)達到均勻過飽和度之前，成核、生長和團聚就已經(jīng)開始了，這種不均勻過飽和度場產(chǎn)生不同的推動力，反過來影響了產(chǎn)物最后的特性，即產(chǎn)物粒子的形貌及粒度分布受到流體力學(xué)和混合過程控制。因此，為了改善產(chǎn)品特性以獲

2、得最大的經(jīng)濟效率，需要結(jié)合流體力學(xué)和混合機制來研究化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)沉淀過程。因此本文研究了超重力旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)器和微通道反應(yīng)器內(nèi)的混合-反應(yīng)沉淀過程。
　　 基于前人對旋轉(zhuǎn)填充床中可視化研究及微觀混合的研究結(jié)果，本論文首先建立了能描述旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)器(RPB)內(nèi)液相反應(yīng)沉淀過程(包括流體流動、混合、反應(yīng)、成核及晶體生長)的數(shù)學(xué)模型。同時就BaCl2與Na2SO4反應(yīng)生成BaSO4為沉淀體系，實驗考察了旋轉(zhuǎn)填充床的反應(yīng)沉淀過程及各

3、操作條件對產(chǎn)物粒子粒度分布的影響規(guī)律，這些工作為旋轉(zhuǎn)填充床的工業(yè)應(yīng)用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。本文還對多種混合形式的微通道反應(yīng)器內(nèi)混合效率進行了研究，建立了CFD模型，考察了在微尺度下不同混合形式及操作參數(shù)對混合效率的影響；同時還實驗考察了包括混合通道尺度、流量等操作條件對產(chǎn)物顆粒粒度分布的影響規(guī)律。最后，基于液相反應(yīng)沉淀過程的實驗和理論研究結(jié)果，開展了用超重力法(RPB為核心反應(yīng)設(shè)備)制備納米藥物吉非羅齊的應(yīng)用研究工作。本論文主要

4、工作如下：
　　 1、在前人對RPB內(nèi)流體流動的可視化觀察結(jié)果和混合特征研究結(jié)果的基礎(chǔ)上進行合理假設(shè)，結(jié)合物料衡算方程、粒度衡算方程及結(jié)晶動力學(xué)方程，采用聚并-分散模型(Coalescence-Redispersion Model)建立了旋轉(zhuǎn)床內(nèi)描述流體流動、混合、反應(yīng)、成核及晶體生長的數(shù)學(xué)模型，提出了表征填料內(nèi)液相微觀混合強度的模型參數(shù)—聚并概率，并根據(jù)填料結(jié)構(gòu)與液體微元間混合機制計算給出不同徑向填料位置的聚并概率大小。

5、>　　 2、設(shè)計了一臺可實現(xiàn)沿填料徑向取樣的旋轉(zhuǎn)填充床(RPB)進行BaSO4沉淀的實驗研究，首次從實驗上證實了RPB填料端效應(yīng)區(qū)對液相反應(yīng)沉淀過程的重要性。RPB的反應(yīng)沉淀實驗結(jié)果表明：提高轉(zhuǎn)速可改善微觀混合，使BaSO4產(chǎn)物顆粒粒徑減小、粒度分布變窄；反應(yīng)物流量的增加也會使粒度下降、分布變好，但當流量達到一定數(shù)值后這種下降趨勢明顯減緩；反應(yīng)物初始濃度增加，粒度變小、分布變窄；在恒定的BaSO4產(chǎn)物濃度下，隨反應(yīng)物體積流量的增大，粒

6、徑稍有增大、分布變差。
　　 3、基于上面建立的旋轉(zhuǎn)填充床中液相反應(yīng)沉淀的數(shù)學(xué)模型，分析計算了聚并概率P、過飽和度、體積比及成核動力學(xué)對產(chǎn)物顆粒粒度分布的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明：成核級數(shù)越大，粒徑及方差越大，所需填料層厚度增大;隨晶核尺度增加，粒徑及方差增大；提高反應(yīng)物初始濃度或體積比，粒徑及方差減小。模型的計算結(jié)果和實驗結(jié)果基本吻合，能夠正確反映操作參數(shù)(流量、轉(zhuǎn)速等)對產(chǎn)物顆粒粒徑的影響規(guī)律。這些研究結(jié)果，為進一步的研究以及

7、旋轉(zhuǎn)填充床的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
　　 4、基于計算流體力學(xué)知識，從湍動理論出發(fā)，建立CFD模型并對多個混合形式的微通道反應(yīng)器內(nèi)流動情況及混合效率進行了數(shù)值計算。模擬結(jié)果表明：流動處于層流，物質(zhì)間混合只能依靠分子擴散進行，通道內(nèi)流體幾乎處于完全離集的狀態(tài)，流速加快后，輔以湍動擴散，混合效率迅速增大；物料流量增大，混合效率增加；進口物料體積流量比增大，混合效率加快；交叉點兩流體混合角度越大，混合強度越高?；趯ξ⑼ǖ婪磻?yīng)器混合

8、效率的研究結(jié)果，在Y型和線型微通道反應(yīng)器中考察了各操作參數(shù)對粒度大小及分布的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明：隨混合通道尺度下降，產(chǎn)物顆粒平均粒徑及無因次方差減小；提高反應(yīng)物流量，粒徑及方差下降，但是當流量提高到一定數(shù)值后這種下降趨勢減緩；反應(yīng)物濃度增大，過飽和度增加，粒徑及方差下降，反應(yīng)物體積流量比增大，粒徑及方差下降。上述研究結(jié)果對于微通道反應(yīng)器用于納米顆粒的制備等相關(guān)領(lǐng)域具有一定的指導(dǎo)價值。
　　 5、基于對旋轉(zhuǎn)填充床反應(yīng)沉淀過程的