非牛顿流体中气固分散与悬浮的协同调控：基于电阻层析成像与压力耦合测量的同轴搅拌槽研究

为解决工业三相反系统中气/固局部滞留量难以量化的问题，研究人员创新性地将电阻层析成像（ERT）与压力测量技术耦合，首次应用于机械搅拌槽的非牛顿流体体系。通过同轴搅拌器（PBTU/PBTD+锚式桨）的上下泵送模式对比，揭示了流体流变特性与混合动力学的交互作用：上泵模式促进颗粒悬浮（hs提升），下泵模式延长气泡停留时间（hg增加）。该研究为多相反应器优化提供了关键方法学突破。

　　

在化工、制药和生物技术领域，三相反系统（气-液-固）的高效混合是核心挑战。尽管这类系统广泛应用于催化氧化、发酵等关键工艺，但长期以来，由于气/固相电导率相近，传统电阻层析成像（ERT）无法区分两者，导致局部相分数难以精确量化。此外，非牛顿流体的剪切稀化特性（shear-thinning behavior）使混合过程更为复杂——流体黏度随搅拌速率变化，直接影响气泡破碎和颗粒悬浮。这些问题严重制约了工业反应器的设计与优化。

为突破技术瓶颈，多伦多大都会大学的Ehsan Zamani Abyaneh团队在《Powder Technology》发表研究，首次将ERT与压力测量耦合应用于机械搅拌槽。通过同轴搅拌系统（中央斜叶涡轮+锚式桨）和Carboxy Methyl Cellulose（CMC）溶液构建非牛顿流体模型，创新性地利用动态压力校准（ΔP_dynamic）分离气/固信号，实现了局部相分数的精准解析。

关键技术包括：1）四平面ERT电极阵列（分辨率9600 Hz）重建电导率分布；2）压力传感器测量静态压差（ΔP_static）推算相密度；3）Maxwell方程关联电导率与总滞留量（h_s+h_g）；4）变浓度CMC溶液（0.01-0.5 wt%）模拟不同流变特性。

动态压力特性

研究发现，上泵模式（PBTU）在低黏度（0.01 wt% CMC）下产生显著负向ΔP_dynamic（Plane #3达-300 Pa），表明强轴向流；而下泵模式（PBTD）因涡流形成导致动态压力震荡。高黏度（0.5 wt%）会抑制动态压力梯度，尤其在锚式桨高速（N_a=30 rpm）时。

固体悬浮机制

上泵模式在N_c=350 rpm即可实现全槽悬浮（h_s≈5%），因颗粒被中央射流垂直输送；而下泵模式因锚式桨干扰颗粒沿壁爬升，需N_c≥500 rpm。高黏度下（0.5 wt%），下泵模式的Plane #2悬浮量骤降30%，揭示流变特性对轴向输运的抑制作用。

气体分散规律

下泵模式的气体滞留量（h_g）比上泵模式高40%，因向下射流延长气泡停留时间。CMC浓度从0.01增至0.5 wt%使h_g提升2倍，归因于黏滞阻力减缓气泡上升。

该研究为多相混合系统提供了首个机械搅拌槽的ERT-压力解耦方案，证实了流变特性与泵送方向的协同效应：上泵模式适合固相主导工艺（如结晶），下泵模式利于气相反应（如加氢）。未来可通过X射线断层扫描（XRT）验证局部流场，或采用气体诱导式叶轮进一步优化相间传质。这项技术突破为生物制药、废水处理等领域的反应器设计提供了量化工具。