摘要
毫米通道反应器是近年来发展较为迅速的化工过程强化手段之一，在化工、制药、新材料等领域有广阔的应用前景。毫米级通道具有体积小、比表面积大、传递速率快等优势，可以大幅强化液液非均相的混合、传质及反应过程。但毫米通道反应器对于流场的调控手段较为单一，近年来发展的旋转毫米通道反应器(Rotating Millimeter Channel Reactor，简称RMCR)是将毫米通道反应器置于超重力环境下，增加离心力对流体的作用，可方便地对反应器内的流体流动进行调变，满足混合、传递的需求。目前，旋转毫米通道反应器内液液非均相的研究较少，阻碍了反应器在液液非均相混合及反应过程的应用。 本文首先采用高速摄像技术，研究了静态毫米通道反应器液液非均相流体流动特性，并用粒子示踪技术阐明了不同流型中的流体流动规律;进一步研究了超重力环境下，旋转毫米通道反应器内液液非均相流体流动的流型，得到了不同流型的转换判据;采用水-煤油-苯甲酸作为萃取模型体系，考察了不同操作条件对萃取率和体积传质系数的影响，获得了体积传质系数的关联式;针对湿法炼铜工艺中铜离子萃取过程，获得了旋转毫米通道反应器铜离子萃取率及体积传质系数的影响因素，探讨了其工业应用前景。本文得到的主要结论如下: (1)静态毫米通道反应器中流体流动形态主要包括:段塞流、平行-液滴流和平行流三种流型。随着总流量增加，流型会发生转换。在实验操作范围内，液滴尺寸随着流量的增加呈现降低趋势，随着流量比的增加呈现增加的趋势。流体流动随流型的不同呈现不同的特征。平行流等贴壁流动由于分散相与壁面接触且无滑移，因此主体与壁面会具有更大的内部速度差;非贴壁流动因为分散相与壁面无直接接触，流体内部无相对运动，基本没有内部速度差。流体内部的速度差会促进混合，因此贴壁流动更有利于传质。 (2)旋转毫米通道反应器中的流体流动形态也主要包括段塞流、平行-液滴流和平行流三种流型。在实验条件范围内，存在两条流型分界线，不同转速下流型分界线对应的临界流量值不同。对临界流量相关数据点进行参数拟合后可分别得到“段塞流到平行-液滴流”的流型分界线、“平行-液滴流到平行流”的流型分界线:Ca-0.080γ-0.087=2.39Re-0.078β0.0019和Ca-0.087γ-0.094=2.55Re-0.083β0.014。研究了操作条件对液滴尺寸的影响规律，结果表明旋转毫米通道内形成的液滴尺寸随着总流量的增大而减小，随转速（离心力场）的增大而减小，随水油比的减小而减小。液滴尺寸的减小意味着两相的相界面积增大及其混合效果的强化。 (3)采用水-煤油-苯甲酸作为萃取的模型体系，研究了旋转毫米通道反应器的液液非均相传质性能。实验结果显示，随着转速的升高，萃取率和体积传质系数均会得到提升，且该提升程度在低流速下更为明显;总流量的提高会降低萃取率，提升体积传质系数;随着水油比的增加，萃取率逐渐提高，但体积传质系数基本不随其变化而变化。在实验条件范围内，萃取率与体积传质系数分别在5％～30％和0.004～0.025 l/s范围内变化。进一步从理论层面解释了旋转毫米通道反应器内离心力与科里奥利力提升传质性能的机理。相较于静态毫米通道反应器，旋转毫米通道反应器在总流量为0.134 mL/s、转速为300 r/min时，萃取率和体积传质系数分别提高了126％和413％。说明旋转毫米通道反应器具备更好的萃取性能，是一种潜在的萃取过程强化装备。 (4)针对湿法炼铜工艺中铜离子萃取过程强化的需求，根据工艺的特点设计了旋转U型迂回毫米通道反应器。结果表明，铜离子萃取过程一级萃取率在30％左右，体积传质系数在0.03 l/s左右，体积传质系数关联式的计算值与实验值之间的偏差为±30％。进一步对比了不同设备的体积传质系数，发现旋转毫米通道反应器的体积传质系数大于传统的搅拌釜、喷淋塔等常见的萃取设备，展现出旋转毫米通道反应器在萃取等液液传质过程中广阔的应用前景。
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