在精细化工、制药和结晶等涉及快速反应体系的工业应用领域,微观混合(也被称为分子混合)是反应过程的控制步骤,对产物的产率、分布和选择性有至关重要的影响,而基于超重力技术开发的旋转填充床是一种典型的过程强化设备,能极大地强化微观混合过程。本文采取CFD模拟指导实验、实验验证模型的基本思路,结合前人的研究成果,以旋转填充床和微反应器为研究对象,从CFD模型算法、液相流动特征、混合反应过程和反应器结构优化等方面对旋转床内液液微观混合过程进行深入研究;以流体黏度为线索,分析了牛顿型流体和非牛顿型流体在旋转床中微观混合过程的异同,为旋转填充床反应器的设计、操作条件优化和工程放大提供理论基础与指导。主要研究成果如下:(1)以金属套管式微反应器为算法建模研究对象,创新性地提出采用 Lagrangian PDF 输运模型和修正的 Finite-rate/Eddy dissipation 模型构建液相微观混合算法。结果表明,二者模拟结果均与实验结果相符,但后者较前者的计算量大幅降低。进而采用修正的Finite-rate/Eddy dissipation模型分析了Villermaux-Dushman体系反应机制,表明该反应体系主反应的反应速率受混合过程控制,副反应受本征动力学控制;以微观混合效率为标准,对反应器的两个重要结构参数——微孔直径和环隙宽度进行优化,最佳值分别为20μm和250μm。(2)构建了旋转填充床内液相流动过程的二维CFD模型,通过改良网格建模技术,建立了高质量的计算网格模型。考虑到旋转床内多壁面结构的特点,首次成功地将Wray-Agarwal(WA)湍流模型应用到旋转填充床的多相流模拟,误差在±15%范围内。结果表明,WA湍流模型与Standard k-ε、Realizable k-ε、SST k-ω和RSM等模型计算的填料区液相平均湍流特征量无明显差异;基于WA湍流模型与SST k-ω模型的湍流强度与耗散率沿径向先显著下降然后趋势变缓,更符合旋转填充床内的实际情况;应用卷吸模型计算微观混合特征时间,与其他湍流模型相比,基于WA湍流模型得到特征时间较大。(3)基于旋转填充床中液相流动特征的CFD模拟结果,分析液膜、液线和液滴等液相特征形态的演化,研究了黏度、转速和流量等因素对于液相形态变化的影响规律。结果表明,在1.0-155.6 mPa·s的黏度范围内,持液量随黏度的升高而小幅升高;外空腔区平均液滴直径随黏度的升高无明显变化;提高转速将降低持液量和平均液滴直径,并使填料区的液体流动形态从以液膜为主演变为以液线和液滴为主,转速升高到一定程度后,对液相形态的影响不显著;提高流量将明显增厚填料区液膜;此外沿径向停留时间分布的CFD模拟结果表明,旋转填充床端效应区厚度随黏度增加而降低。(4)采用修正的 Finite-rate/Eddy dissipation 模型,确定了 219.2 mPa·s、19.9 mPa·s和1.0 mPa·s三种黏度条件下的模型参数Am分别为0.05、0.3和4.0,并对旋转填充床中液体预分布器的结构进行了 CFD模拟优化。结果表明,黏度为1.0 mPa·s时,较短的预混长度和较小的管径比有利于提高旋转床整体的微观混合效率;黏度为219.2 mPa·s时,较长的预混长度和较大的管径比有利;此外,错流的接触方式在两种黏度体系下均更有利。进而提出了预分布器的定性设计准则:对低黏体系,预分布器的设计应该避免反应过多地在预混区发生,物料合流后应尽快进入填料区;对高黏体系,预分布器的设计应该增强预混区的宏观混合程度,以提高填料区的微观混合效率。(5)以CMC的水溶液为工作体系,采用实验和CFD模拟相结合的方法,研究了旋转填充床中非牛顿型流体的微观混合过程。结果表明,增加转速可增强剪切速率并持续提升具有剪切变稀特性的非牛顿流体微观混合效率;首次发现旋转填充床中CMC浓度与液量的内在关系一不同CMC浓度下,微观混合效率随流量呈现不同的变化规律,高流量下较高CMC浓度不利于微观混合效率,低流量下一定程度提高CMC浓度对微观混合效率不会产生负面影响;基于团聚模型,在一定的操作条件范围内,得到旋转填充床中非牛顿型流体体系的微观混合特征时间在 4.1×l0-4s-1.9×10-3 s 之间。