反应沉淀技术是连接化学工程和材料科学的核心方法，其起源可以追溯到19世纪工业革命期间的传统沉淀过程。虽然早期的批次搅拌罐反应器在废水处理和矿物加工等领域得到了广泛应用，但它们固有的质量/热量传递限制和过程不可控性使其无法满足现代对晶体尺寸、形态和功能设计的严格要求[[1], [2], [3]]。随着纳米技术和连续制造的兴起，反应沉淀正从经验驱动的方法转向机制引导的方法。一个关键突破是通过反应器配置创新和多尺度过程强化来精确调控晶体属性[[4], [5], [6]]。多项研究证实，调节混合强度可以有效地控制晶体成核和生长，从而实现颗粒尺寸和分布的精确调控[[7], [8], [9], [10], [11], [12]]。
与批次操作的固有时空非均匀性相比，连续流动系统在稳态或准稳态下运行。这使得混合、反应和沉淀过程可以解耦并独立优化，为晶体成核和生长提供了高度可控的环境。近年来，连续制造在制药、能源材料和高端化学品领域展示了有希望的应用[[13], [14], [15], [16], [17]]。在包括动态挡板结晶器、泰勒涡流反应器、水动力空化装置、电化学系统、环形旋流反应器和静态混合器在内的各种连续平台上进行的研究，一致证明了流场结构与成核-生长动力学之间的定量关系，为结晶反应器的合理设计奠定了坚实的基础[[18], [19], [20], [21], [22], [23]]。
在连续流动配置中，微通道反应器因其高比表面积、快速的质量传递和毫秒级的混合能力而成为研究流动-混合-沉淀耦合机制的理想平台[[24], [25], [26]]。最近的研究表明，几何设计参数（如入口方向、通道曲率和多级混合单元）可以显著改变流场和能量耗散剖面，从而影响成核率和颗粒尺寸分布[[27], [28], [29], [30], [31]]。例如，Feng等人使用多入口涡流混合器（MIVM）在闪蒸纳米沉淀（FNP）过程中实现了亚毫秒级的混合，用于BaSO?纳米颗粒的合成，证明了先进的反应器几何形状能够精确控制成核和生长，从而在高通量下产生小尺寸（约40纳米）和窄分布的颗粒[32]。因此，微通道不仅作为高效的混合模块，还作为集反应、成核和生长于一体的多功能晶体工程平台。
尽管微通道反应器在调控晶体特性方面展现出巨大潜力，但其内部复杂的流固耦合过程（例如局部过饱和度的瞬态分布以及成核和生长过程的空间分离）难以通过实验手段直接阐明。因此，开发高保真度的多尺度模拟方法对于深入了解反应沉淀机制至关重要。近年来，耦合的计算流体动力学（CFD）和群体平衡模型（PBM）方法已成为该领域的主流建模策略，因为它可以同时描述流体动力学和晶体群体的演变。Woo等人首次将CFD-微混合模型与结晶动力学相结合，成功模拟了冲击射流结晶器中的晶体尺寸分布，并揭示了微混合特性是影响成核和生长的关键因素[33]。Sulttan和Rohani将CFD-PBE模型应用于连续种子MSMPR螺旋管结晶器，准确再现了颗粒尺寸分布，并阐明了流场特性与晶体生长之间的内在联系[34]。Mousavi等人对struvite沉淀进行了三维CFD-PBM模拟，综合考虑了流体动力学、热力学和溶液化学动力学，预测的峰值颗粒尺寸比例与实验结果仅相差0–14%[35]。Yuan等人进一步阐明了CFD和PBM之间的双向数据交换机制：PBM输出的Sauter直径用于校正CFD中的动量源项，而CFD提供的湍流耗散率则控制了PBM中的颗粒尺寸演变[36]。这些进展证实了CFD-PBM不仅可以复制实验现象，还可以从机制角度阐明结构、流动、混合和沉淀之间的内在关联。
然而，现有的研究大多集中在特定的反应器配置或简化系统上，缺乏对不同微反应器几何形状下整个流动-混合-沉淀过程的系统和定量比较。特别是，如何有效利用几何设计来精确调控局部过饱和度的时空演变，从而指导目标成核和生长，目前仍缺乏系统的理解。
这种理解不足阻碍了高性能微反应器的合理设计，以实现可控的晶体合成。因此，本研究在25°C下，研究了从氯化钡（BaCl?）和硫酸（H?SO?）制备硫酸钡（BaSO?）的反应沉淀过程。构建了一个耦合的CFD–PBM模型，纳入了液固两相流动以及晶体成核和生长动力学。首先，模拟结果与已发表文献中的实验结果进行了严格验证。随后，系统研究了不同雷诺数对三种微反应器压降的影响，以及出口处的平均颗粒尺寸和尺寸分布。最后，通过分析三种不同微反应器中速度场、湍流动能、湍流耗散率、过饱和度以及成核和生长率的空间演变特性，揭示了微反应器几何形状如何调节混合强度和局部过饱和度场，从而控制颗粒质量。
