新型叶轮提升式内循环旋转填充床结构优化及其对液泛速率与传质效率的显著提升

为解决内循环旋转填充床(IN-RPB)中传统提升器液泛速率(QL)低导致的微混合与传质效率受限问题，研究人员创新设计了一种带叶轮的新型提升器(UIL)。通过实验与CFD模拟证实，优化结构使QL提升100%，气液体积传质系数(kLa)提高60%，为IN-RPB工业化应用提供了重要依据。

　　

在化工过程强化领域，旋转填充床(RPB)作为典型的高效传质设备，广泛应用于气液、液液及气液固多相体系。然而，传统内循环旋转填充床(IN-RPB)的关键组件——液体提升器存在液泛速率(Q_L)不足的瓶颈，严重制约了其微混合与传质效率。现有技术通过调整传统提升器参数对Q_L的改善效果有限，亟需突破性结构创新。

北京化工大学的研究团队通过理论分析发现，提升压力梯度项-?p是优化Q_L的核心因素。基于此，创新性地在传统螺旋提升器(CL)底部加装上行叶轮，设计出叶轮提升式新型结构(UIL)。研究通过实验确定最佳结构参数为叶轮倾角θ=30°、安装高度L_a=20 mm、叶片长度L_b=20 mm，并采用计算流体力学(CFD)模拟揭示了流场调控机制。相关成果发表于《Green Chemical Engineering》。

研究采用三大关键技术：1) 基于Navier-Stokes方程的理论建模，解析液体在提升器内的受力机制；2) 多参数对比实验，测定不同结构UIL的Q_L和k_La；3) Eulerian多相流模型结合Realizable k-ε湍流模型的CFD模拟，采用MRF方法处理旋转运动。

【5.1 结构优化实验】
实验表明，UIL在1400 r/min时Q_L达7.3 L/min，较CL提升100%。参数敏感性分析显示θ=30°时叶轮产生的涡流强度最大，而L_a=20 mm能优化涡流与提升器入口的距离匹配。

【5.2 数值模拟】
CFD结果验证了实验数据，误差<10%。流场可视化显示UIL产生对称双涡结构，中心区轴向速度提升300%，湍流动能(TKE)增至17.57×10^-3 m²/s²，有效消除死区。

【5.3 传质性能】
质量传递实验证实，UIL使k_La最高提升60%至12.3×10^-3 1/s。叶轮搅拌作用增强湍流，同时提升的Q_L增大了转子对液体的分散程度，双重机制协同强化传质。

该研究通过理论-实验-模拟的多维度论证，揭示了叶轮结构通过调控流场涡旋产生、增强压力梯度的作用机制。UIL的创新设计不仅解决了IN-RPB的液泛瓶颈，其"主动生成涡流"的策略为化工设备优化提供了新范式。研究团队指出，该成果可进一步拓展至高粘度体系处理、多相催化反应等场景，推动绿色化工装备的升级换代。