摘要
结晶作为化工过程中分离提纯的基本单元操作之一，于化工、医药、食品和生物技术等行业领域得到了日益广泛地应用。由于工业结晶过程的复杂性，早期的研究工作都是基于MSMPR理想模型，这就导致实验结果与实际工业结晶过程得到的晶体产品的粒径分布（CSD）相差较大。为了能够获得多相流体系内结晶过程的各流场分布和颗粒悬浮状态等信息，准确地描述复杂的工业结晶过程，降低结晶器优化设计与实验开发成本，学者们开始将计算流体力学（CFD）运用在这个领域。在整个工业结晶过程中，固体微粒聚并、破碎、成核、生长等微观行为与不同的操作条件对结晶过程中晶体颗粒的CSD具有很大的影响，而这些微粒的粒径大小和分布对描述整个多相流体系内的固-液传质起着重要作用。为此，有必要引入粒数衡算方程（PBE）以准确地描述这些固体微粒的微观行为及其CSD的演变。 目前，工业结晶面临的主要挑战是对CSD的控制，而连续结晶在控制CSD和产品的质量等方面具有较大的优势。因此本文主要研究连续结晶过程各工艺参数对CSD的影响，通过CFD-PBE耦合模型对连续结晶过程进行数值模拟，采用积分矩方法（QMOM）通过追踪一系列低阶矩即可表征晶体产品并求解PBE。连续结晶过程中结晶器结构比较重要，本文简单对比了两种结构结晶器，并选择椭圆底结构结晶器作为研究对象。在考虑聚并、破碎、成核与生长的情况下，通过网格独立性验证确定计算网格数量。进一步研究了结晶器挡板设置、停留时间、搅拌转速、搅拌桨高度与类型等因素对CSD的影响，结果表明：挡板的设置致使结晶器内湍流程度与径向流程度增加，高转速引起晶体破碎的可能性增加，得到晶体的平均尺寸显著降低。停留时间的增加会使得颗粒的生长成为主要影响因素从而导致颗粒平均粒径增加，搅拌桨的高度位置需要依据结晶器中的流体充分混合进行优化选择。对比三种搅拌桨对CSD的影响，轴流式的螺旋桨的功耗小，适用于大颗粒晶体结晶过程，而径流式的圆盘涡轮桨适用于微粒结晶过程。
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