《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Hierarchical Synergistic Regulation of Nanoparticle Synthesis in an Annular Swirling Serpentine Reactor
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•提出一种用于纳米粒子合成的新型环形螺旋蛇形反应器。•初级成核受涡旋拉伸—耗散比控制。•衰减螺旋流与迪恩涡的协同剪切作用可克服团聚。•空间流场解耦确保均匀纳米粒子的连续合成。引言在纳米粒子的连续合成过程中，团聚现象和较宽的粒径分布仍是影响产品质量和放大生产的主要挑战[1]。微
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提出一种用于纳米粒子合成的新型环形螺旋蛇形反应器。
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初级成核受涡旋拉伸—耗散比控制。
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衰减螺旋流与迪恩涡的协同剪切作用可克服团聚。
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空间流场解耦确保均匀纳米粒子的连续合成。
引言
在纳米粒子的连续合成过程中，团聚现象和较宽的粒径分布仍是影响产品质量和放大生产的主要挑战[1]。微反应器已被用于强化结晶和乳化等过程中的混合与传质[2]。Wang等人[3]利用高通量微反应器制备了粒径可调的达沙替尼纳米乳液，而Ge等人[4]在毫米级微反应器中获得了尺寸均匀性改善的α-生育酚纳米乳液。在反应性沉淀过程中，局部微观混合强烈影响过饱和度以及随后纳米粒子的成核与生长。基于速度的统计量，如湍流耗散率ε和湍流动能k，已被广泛用于关联混合强度与成核及生长动力学[5]。Coulaloglou和Tavlarides[6]提出了一种破碎模型，其中破碎频率Ω被显式表达为ε的函数，形式为Ω∝ε^(1/3)exp(?c/ε^(2/3))。前指数因子描述了湍流对涡旋—液滴碰撞的影响，而指数项则考虑了湍流应力与表面张力之间的竞争关系。类似地，Luo和Svendsen[7]基于各向同性湍流中涡旋—粒子碰撞的动力气体理论类比推导了一种破碎模型。破碎频率通过对湍流能谱积分确定，其形式表达为exp(?c/ε^(2/3))。在快速反应性结晶中，初级成核动力学强烈依赖于Batchelor尺度上过饱和度的空间均匀性[5]。已有研究表明，流体微元被拉伸至Batchelor尺度的过程主要由涡旋拉伸驱动。由于所合成纳米粒子的粒径(d_p)通常比Kolmogorov尺度η小数个数量级，粒子表现出纯黏性主导的运动特性，惯性可忽略不计。因此，涡量场间接调节了粒子群集的后续演化。尽管布朗运动驱动的周动碰撞（perikinetic collisions）对纳米粒子占主导地位，但由流体速度梯度诱导的顺动碰撞（orthokinetic collisions）在强烈的涡旋拉伸区域可以得到增强[8]。同时，具有高旋转率和低剪切率的相干结构涡核可延长流体的停留时间，增加碰撞概率。相反，相干涡的外围区域和涡管之间的相互作用区域表现出高应变率和中等涡量[9]。在这些区域内，强烈的拉伸和剪切变形可以打散松散的团聚体，并在Batchelor尺度上加速分子扩散，确保初级纳米晶体的均匀生长。
涡旋反应器因能够提供优异的混合和传质性能，作为纳米粒子快速沉淀的高级反应器受到了广泛关注[10,11]。Wang等人[12]将常规搅拌槽中合成的粒子与环形螺旋流反应器中的产物进行了对比。研究发现，螺旋涡旋反应器能够产生具有强烈径向剪切和近似活塞流停留时间的稳定Rankine涡旋，从而获得形貌光滑、粒径分布更窄且更均匀的纳米粒子。Guo等人[13]进一步揭示，螺旋涡旋流反应器中强烈的Rankine涡旋剪切可以有效约束涡核内的粒子团聚体，而超声辐照的叠加可诱导声流，进一步增强局部湍流和传质以实现可控合成。Wang等人[14]将流动可视化与计算流体力学（CFD）相结合，优化了用于超声辅助Fe?O?纳米粒子合成的涡旋微反应器，展示了基于涡旋的结构在连续纳米材料生产方面的潜力。然而，螺旋流反应器直管出口通道中螺旋强度的快速轴向衰减可能导致沿流路径微观混合性能的急剧下降[15]。虽然通常采用收敛或锥形结构作为向下通道以减缓直管中轴向螺旋的衰减，但它们可能无法提供足够的停留时间以实现粒子的均匀生长，并增加反应器堵塞的风险[12,16]。
另一种替代方案是用蛇形通道取代直管，其中由通道曲率诱发的迪恩涡由对称面上下的两个反向旋转涡组成。Song等人[17]发现迪恩涡—界面剪切耦合作用增强了混合效果，并改善了纳米氧化铝的粒径均匀性。Jiang等人[18]揭示当迪恩数超过临界值时，二次流将从双涡结构转变为四涡结构，这可以显著增强界面拉伸并缩短微观混合时间。Gao等人[19]发现周期性改变迪恩涡的方向可以增强微观混合并缩窄停留时间分布。
CFD也被应用于强化反应器的设计与优化。Zhao等人[20]优化了宏—微反应器中的螺旋内构件，在强化液—液传质的同时降低了压降。Wei等人[21]将CFD与实验设计相结合，优化了用于纳米和乌碱制备的微流控装置。尽管局部湍流强度常被用来关联反应器水力学与粒径，但k和ε本质上是湍流的标量度量，代表的是湍流行为的统计平均值。关于间歇性涡旋结构对成核和团聚体破碎的不对称贡献的研究仍然缺乏。在本研究中，提出了一种环形螺旋蛇形反应器（ASSR），它将上游的ASFR用于快速沉淀，与下游的蛇形通道用于粒子进一步成熟相结合。本研究采用大涡模拟（LES）解析瞬时涡量场并量化其空间变异性。将所得的水动力学统计量与实测粒径特征进行对比，以检验所提出的两阶段调控机制。
章节摘要
实验装置与产品表征
图1展示了实验装置。本研究同时考察了环形螺旋流反应器（ASFR）和环形螺旋蛇形反应器（ASSR）。ASSR通过将下游平面蛇形通道连接至ASFR出口而形成。ASFR由一个短圆柱腔体（D=20 mm，H=10 mm）组成，其中包含一个中心圆柱柱体（D=16 mm，H=8.65 mm）和一个向下的出口通道（D=8 mm，H=27.6 mm）。环形螺旋腔体竖直安装
ASFR中的初级成核
从浓MgCl?和NaOH溶液中沉淀Mg(OH)?是一个快速过程，强烈受微观混合和局部过饱和度的影响[23]。ASFR中的平均停留时间（0.076–0.384 s）比特征初级成核时间（t_nucl≈10?? s）长数个数量级。同时，t_nucl也远短于特征粒子团聚时间（t_agg）[23]。这些时间尺度的差异，加上ASFR中强烈的混合作用，表明
结论
本研究开发了一种用于连续合成Mg(OH)?纳米粒子的新型环形螺旋蛇形反应器（ASSR）。快速沉淀和初级成核主要发生在ASFR中，而下游蛇形通道主要调节后续的粒子成熟过程。主要结论如下：
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在ASFR中，涡旋拉伸增强了微观混合，预计可促进初级成核。随着Re_in从2080增加到10400，高R_Φ区域扩大，
生成式AI和AI辅助技术在文稿撰写过程中的声明
在撰写本工作过程中，作者使用了Gemini和ChatGPT以改善语言质量和可读性。在使用这些工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的全部内容承担全部责任。
CRediT作者贡献声明
Bingbing Chen：监督指导。Shaowen Yang：数据整理。Luming Chen：初稿撰写、概念构思。Yanqin Guo：研究方法。
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