高剪切混合强化技术

　　《高剪切混合强化技术》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册。高剪切混合器作为一种能量密集型的过程强化手段，近年来在其流动特性、功耗、混合与分散等方面取得了系列研究成果，已在化工、材料、食品、环境等领域获得了广泛的工业应用。本书对间歇式、连续式高剪切混合器在单相、两相（气液、液液、液固）和气液固三相体系的流动与功耗、分散与混合、相间传递及反应性能的影响规律进行了归纳总结，重点描述了操作参数、结构参数、物性参数等对高剪切混合器性能的影响，可以帮助读者更好地理解高剪切混合器的原理、性能；其次，给出了现有的高剪切混合器性能预测方法，以方便读者选择高剪切混合器进行实际生产过程的强化，形成基于高剪切强化技术的新工艺；进而，结合工业应用实例，介绍了高剪切混合器的实际工业过程强化效果，为读者提供借鉴；最后，提出了今后高剪切混合器需要开展的研究方向。 《高剪切混合强化技术》可帮助化工、材料、食品、环境等领域的技术人员更好地选择、使用高剪切混合器，并为利用高剪切混合技术强化混合、溶解、乳化、分散、解聚、反应等过程的研究人员提供参考。

　　张金利，天津大学化工学院教授，IChemE Fellow、Chartered Engineer，教育部长江学者特聘教授，教育部创新团队、教学团队、教育部“全国高校黄大年式教师团队”和天津市“131人才工程”创新团队负责人。1992年、1994年、2003年先后在天津大学获学士、硕士、博士学位。围绕着我国能源、化工、食品、轻工等行业高效、清洁生产的重大需求，与团队成员一起从分子-团簇-设备-工厂多尺度进行研究，探究了超临界、多相等复杂体系反应机理，开发了新型催化剂和特种树脂聚合体系；揭示了高剪切混合器（反应器）、微管反应器、塔式反应器、喷射环流反应器、磁场流化床反应器、杯形搅拌反应器、超临界反应器内流动、混合与传递规律，建立了多相过程设计与优化方法，创新了过程强化技术及装备，形成了高剪切混合强化技术、微尺度反应强化技术、反应分离耦合强化技术等；提出了折点法、非线性优化等水热系统优化方法，创建了综合考虑环境因素和外加流股的水热网络同时优化方法，提供了全局优化工具；实现了部分技术与装备的工业应用，与合作企业一起在中国、美国、英国等36个国家和地区推广了3000多家用户，提升了产业水平。以第一作者或通讯作者发表科研论文146篇，以第一发明人获中国发明专利授权26件，获得省部级科技奖励6项；已培养研究生87名。兼任天津市生物与制药工程重点实验室主任、中国化工学会混合与搅拌专业委员会副主任、中国化工学会化工过程强化专业委员会委员、中国化工学会化工信息技术专业委员会委员、中国职业安全健康协会常务理事、中国能源学会能源与环境专业委员会委员。

绪论 / 1
第一节　高剪切混合器的构成与分类 1
第二节　高剪切混合器的性能概述 4
一、高剪切混合器的流动与功耗特性 4
二、高剪切混合器的微混合特性 8
三、高剪切混合器的分散特性 9
四、高剪切混合器的传递特性 10
第三节　高剪切混合器的应用概述 12
一、高剪切混合器用于溶解和乳化过程 12
二、高剪切混合器用于液固破碎与分散 13
三、高剪切混合器用于浸取过程 13
四、高剪切混合器用于化学反应过程 14
五、高剪切混合器用于纳米材料制备 14
六、高剪切混合器用于催化剂的制备 15
参考文献 16

第一章　单相间歇高剪切混合器 / 20
第一节　流动 21
一、单相间歇高剪切混合器内流场的测定 22
二、计算流体力学模拟方法 28
三、单相径流式间歇高剪切混合器流场模拟 35
四、捷流式间歇高剪切混合器流动模拟 47
第二节　功耗 63
一、轴流式间歇高剪切混合器的功耗特性 64
二、径流式间歇高剪切混合器的功耗特性 65
三、捷流式间歇高剪切混合器的功耗特性 67
第三节　混合性能 71
一、宏观混合性能 71
二、微混合特性 72
第四节　工业应用 78
一、选型指导 78
二、 工业应用举例 79
参考文献 82

第二章　气液两相间歇高剪切混合器 / 85
第一节　流动与分散 85
第二节　功耗特性 89
一、操作参数的影响 91
二、物性参数的影响 93
三、结构参数的影响 94
四、功耗特征曲线 97
第三节　气液传质特性 97
一、操作参数的影响 100
二、物性参数的影响 101
三、结构参数的影响 102
四、氧传质系数关联式 106
第四节　工业应用 107
一、选型指导 107
二、工业应用举例 107
参考文献 108

第三章　液液两相间歇高剪切混合器 / 110
第一节　流动与功耗 110
一、液液两相间歇高剪切混合器内的流动 112
二、液液两相间歇高剪切混合器的功耗 114
第二节　液液两相的乳化性能 116
一、操作参数的影响 117
二、物性参数的影响 121
三、结构参数的影响 124
四、液液乳化性能预测 127
第三节　液液两相的传质性能 129
一、操作时间的影响 131
二、转子转速的影响 131
三、分散相体积分数的影响 132
四、转子齿数的影响 132
第四节　工业应用 133
一、选型指导 133
二、工业应用举例 134
参考文献 135

第四章　液固两相间歇高剪切混合器 / 136
第一节　流动与功耗 136
第二节　间歇高剪切混合器的溶解分散性能 139
一、定子有无及直径的影响 141
二、转子叶片直径的影响 143
三、转子叶片倾角的影响 145
四、转子叶片构型的影响 146
五、定子底面开孔面积的影响 148
第三节　解聚分散性能 149
一、操作参数的影响 151
二、物性参数的影响 156
三、结构参数的影响 157
四、固液悬浮解聚性能的预测 165
第四节　工业应用 167
一、选型指导 167
二、工业应用举例 167
参考文献 169

第五章　单相连续高剪切混合器 / 170
第一节　流动与功耗特性 171
一、流动特性 171
二、功率消耗特性 185
三、停留时间分布 197
第二节　微观混合特性 209
一、操作参数的影响 210
二、结构参数的影响 212
三、物性参数的影响 213
四、关联式 214
第三节　工业应用 215
一、选型指导 215
二、工业应用举例 217
参考文献 218

第六章　气液两相连续高剪切混合器 / 220
第一节　流动与功耗 220
第二节　分散与混合性能 223
第三节　气液传质特性 224
一、连续高剪切混合器的气液传质性能 224
二、连续高剪切混合器气液传质性能的预测 238
第四节　工业应用 241
一、选型指导 241
二、工业应用举例 241
参考文献 242

第七章　液液两相连续高剪切混合器 / 244
第一节　多相流动与液滴破碎模拟 244
一、高剪切混合器内的多相流动特性 244
二、高剪切混合器内的液滴破碎模拟 246
第二节　液液两相的乳化与功耗性能 248
一、操作参数对乳化效果的影响 249
二、物性参数对乳化效果的影响 256
三、结构参数对乳化效果的影响 259
四、液液乳化性能的预测 268
五、功耗特性 269
第三节　液液两相的传质性能 272
一、液液传质效果的评价参数 272
二、操作参数对传质性能的影响 273
三、物性参数对传质性能的影响 276
四、结构参数对传质性能的影响 278
五、液液传质性能的预测 281
第四节　工业应用 282
一、选型指导 282
二、工业应用举例 283
参考文献 285

第八章　液固两相连续高剪切混合器 / 287
第一节　流动与功耗 287
一、流动特性 287
二、功耗特性 289
第二节　分散与混合性能 290
一、操作参数的影响 290
二、流体物性的影响 299
三、结构参数的影响 300
四、液固分散性能的预测 310
第三节　工业应用 312
一、选型指导 312
二、工业应用举例 313
参考文献 314

第九章　气液固三相高剪切混合器 / 316
第一节　气液固三相高剪切混合器的功耗与传质特性 316
一、间歇高剪切混合器 316
二、连续高剪切混合器 321
第二节　连续高剪切反应器中合成文石型纳米CaCO3晶体 325
一、不同反应结晶器制备样品的比较 326
二、高剪切反应结晶器转子转速的影响 329
三、反应温度和CO2流量的影响 330
四、添加剂的影响 333
第三节　工业应用 337
一、选型指导 337
二、工业应用举例 338
参考文献 339

第十章　高剪切混合器研究及应用展望 / 341
第一节　高剪切混合器性能影响规律 341
一、高剪切混合器性能测定方法 341
二、结构参数对高剪切混合器性能影响的研究 342
三、多相体系高剪切混合器性能的研究 346
四、高剪切混合器噪声的研究 347
五、高剪切混合器的流固耦合分析 349
第二节　高剪切混合器的放大与优化 350
一、高剪切混合器的数值模拟放大与优化模型 350
二、机器学习在高剪切混合器的设计与优化中的应用 353
第三节　高剪切混合器强化化工过程 357
一、高剪切混合器强化化学反应过程 358
二、高剪切混合器强化化工分离过程 358
三、高剪切混合器强化化工混合过程 359
参考文献 359

索引 / 361