论文标题：Mixing Intensification for Advanced Materials Manufacturing

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.12.019

微信链接：点击此处阅读微信文章

化学反应器是将原料转化为最终产品的核心装置，处于所有化工过程工业的中心地位。中国科学院过程工程研究所与北京化工大学研究团队在Engineering发表题为“Mixing Intensification for Advanced Materials Manufacturing”（先进材料制造中的混合强化）综述文章，系统阐述了混合强化技术在先进材料制造领域的研究进展与工业应用。杨超教授、初广文教授为文章共同第一作者； 陈建峰教授为通讯作者。

混合过程在化学反应器的设计、优化与放大中起着至关重要的作用。对于大多数化学反应而言，实现反应物在分子层面的快速均匀至关重要。混合强化包括克服反应器内混合限制的创新方法和技术，从而推动反应过程的高效放大，提高工业生产效率。

研究人员依据尺度差异将混合过程分为宏观混合与微观混合。宏观混合发生在反应器尺度，主要通过整体对流与涡流扩散使物料在较大空间尺度上实现分散。微观混合作用于接近分子尺度，涉及柯尔莫哥洛夫尺度涡旋卷吸、微团变形以及分子扩散等现象。宏观混合通过增大不同物性区域之间的分子扩散界面缩短扩散路径，促进微观混合的发生。

在实验测量方面，远心照相技术因其卓越的原位可视化能力而备受青睐，该技术可获取高分辨率图像，清晰展现多相流动中的界面结构与相间作用。高速照相技术显著提升了对瞬态混合现象的研究能力。化学探针法是一种便捷、直观的反应器混合性能表征手段，其核心原理依赖于对混合状态高度敏感的化学反应体系。人工智能的引入进一步革新了该领域的数据分析方式，卷积神经网络在多相流图像分析等任务中表现出色。源自SegmentAnythingModel（SAM）的bubSAM模型，在气泡流图像中无需额外训练即可实现出色的气泡分割与形貌重构。

图1 远心照相揭示了涡旋卷吸过程、涡寿命及微观混合时间。

图2 不同通气速率（L/min）条件下，bubSAM分割结果示例：实验1为0.09，实验2为0.18，实验3为0.27，实验4为0.36，实验5为0.45，实验6为0.54，实验7为0.63，实验8为0.72。

在工业应用方面，混合强化理论已在多种化工工业过程中获得成功应用。锂电池先进材料技术的发展是实现中国"双碳"战略目标的重要路径之一。前驱体在决定正极材料性能方面具有关键作用。三元前驱体的制备涉及气-液-固三相复杂体系，其中共沉淀反应过程中结晶速率快，受到镍、钴、锰金属盐离子与铵盐组分之间微观混合的显著影响。

图3 基于Kolmogorov尺度的微观混合机理模型。（a）涡旋卷吸模型[6]；（b）缩片模型；（c）圆柱形拉伸涡模型。

中国科学院过程工程研究所针对气-液-固三相共沉淀反应结晶器的放大问题，构建了适用于快速结晶过程的多相CFD-微观混合-群体平衡方程耦合模型。研究人员还提出了一种广义高精度有限体积Kurganov-Tadmor方法，用于求解结晶过程中群体平衡方程的离散格式，该方法可实现对粒径及其分布的高精度预测。这些创新的数值模拟方法与三元前驱体共沉淀反应结晶器的放大技术推动了新型高效搅拌桨的开发，实现了三元前驱体反应结晶器的数字化放大设计，设备体积可达30立方米，所制备的工业前驱体粒径分布窄且球形度高。目前，该技术已在中国103家前驱体企业的2800余套工业反应结晶装置中成功应用，覆盖了国内超过60%的三元前驱体制造商。

图4 （a）不同离散格式下，粒径网格数为55和95时的数值模拟结果对比；（b）工业三相共沉淀结晶器。

在先进光学材料领域，可调折射率的光学材料可用于控制和调制光线，是封装材料、透镜及显示器等光学器件的基础。研究人员尝试将高折射率的无机纳米粒子引入有机树脂中，以制备具有可调光学性能的纳米复合材料。超重力技术，尤其是旋转填充床反应器的应用，已成为一种极具工业潜力的过程强化手段。研究人员开发了一种工艺，利用超重力内循环旋转填充床反应器实现氧化锆纳米分散体的均相沉淀合成。该反应器所实现的混合强化确保了氧化锆粒子成核与生长过程中的均匀微观混合，从而有助于连续稳定地制备粒径分布集中（3~5纳米）的超小氧化锆纳米粒子，制备量达亚千克级。该氧化锆纳米粒子已被应用于水性聚氨酯涂层材料中，用于消除聚酯基表面硬化膜上的虹彩效应。

图5 （a）纳米颗粒分散体的照片；（b）有机-无机杂化膜的照片；（c）复合树脂UV压印图案的扫描电子显微镜图像；（d）金属-氧化物-半导体图像传感器器件中的微透镜阵列；（e）具有不同折射率膜层的液晶显示结构示意图；（f）增亮膜的结构示意图。RI：折射率；PET：聚对苯二甲酸乙二酯；TAC：三乙酸纤维素。

在农业应用领域，基于纳米技术的策略在推动农业可持续生产方面展现出良好前景，尤其是在新型农药的开发方面。纳米粒子因其独特的形貌与物化特性，正被广泛应用于农药活性增强研究。包括旋转填充床反应器在内的过程强化技术，能够在宏观与微观层面实现高效均匀混合，从而精确调控纳米至微米尺度的粒径。该技术实现了低成本、高质量中空二氧化硅粒子的高效制备，为新型智能化农药递送体系的构建提供了广阔前景。

人工智能与多相流测量技术的结合，为反应器设计与工艺优化带来了新的进展。通过应用先进的机器学习算法，人工智能能够显著提升混合强化效果。未来研究应重点推动人工智能模型与实时反馈机制的结合，以实现对混合环境的动态监测与主动控制。

针对该领域未来发展，研究人员建议采用先进的混合技术，探索超声波、电场和磁场等创新混合方法的应用；实施多尺度模拟，采用涵盖分子到宏观尺度的多尺度模拟工具；促进跨学科合作，加强化学工程、材料科学、物理学及相关学科之间的协作；加速工业转化，重点推动实验室研究向工业应用的转化，特别是在纳米材料、光学材料及新能源电池材料的生产领域。

论文信息：

Chao Yang, Guang-Wen Chu, Xin Feng, Yan-Bin Li, Jie Chen, Dan Wang, Xiaoxia Duan, Jian-Feng Chen. Mixing Intensification for Advanced Materials Manufacturing. Engineering, 2025, 44(1): 142-152

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.12.019