高剪切混合强化技术

高剪切混合强化技术是一种基于高剪切混合器来实现快速分子级均匀混合的过程强化技术，其关键是高剪切混合器结构创新及其与工艺的匹配。

高剪切混合器（High Shear Mixers, HSMs），又称高剪切反应器（High Shear Reactors, HSRs）、定转子混合器（Rotor-Stator Mixers）等，是一种能量密集型过程强化设备。高剪切混合器利用转子高速旋转所产生的高切线速度，在定子与转子间的狭窄间隙中形成极大的速度梯度，以及由于高频机械效应带来的强劲动能，使物料在定转子的间隙中受到强烈的剪切、挤压、摩擦、撞击、研磨、湍流和空化等综合作用，从而得到瞬间均匀精细的分散与混合。定转子间隙狭窄、转子末端线速度高、定转子间隙中的剪切速率高以及剪切头附近局部能量耗散率高，是高剪切混合器的典型特征。

按照操作模式，高剪切混合器大体上可分为间歇式、连续式两类。目前，诸多研究者已经对于间歇式、连续式高剪切混合器在单相、两相（气液、液液、液固）和三相体系的流动、功耗、混合与分散、破碎、传质、传热及反应性能与模型进行了研究；形成了各自专有技术，已经从传统的均质、乳化、溶解、分散、悬浮、结晶以及细胞破碎等物理过程拓展到化工、材料、能源领域，用于强化混合控制的快速化学反应过程。高剪切混合器被广泛应用在农业、轻工、医药以及化工和石油化工行业，实现过程强化，例如制备乳胶、黏合剂、个人护理和洗涤产品、化学品分散液、农业杀虫剂、除草剂、电池浆料等。

但是，现阶段关于高剪切混合器的几个重要问题—“何时考虑使用高剪切混合器”“选用什么构型的高剪切混合器”以及“如何设计和放大高剪切混合过程”，仍没有现成的答案可循，甚至没有达成共识。因此，需要为高剪切混合器的研究人员、工程设计人员提供一本关于高剪切混合器性能及其应用方面的参考书，以尝试回答上述问题。

本书对间歇式、连续式高剪切混合器在单相、两相（气液、液液、液固）和气液固三相体系的流动与功耗、分散与混合、相间传递及反应性能的影响规律进行了归纳总结，重点描述了操作参数、结构参数、物性参数等对高剪切混合器性能的影响，可以帮助读者更好地理解高剪切混合器的原理、性能；其次，给出了现有的高剪切混合器性能预测方法，以方便读者选择高剪切混合器进行实际生产过程的强化，形成基于高剪切强化技术的新工艺；进而，结合工业应用实例，介绍了高剪切混合器的实际工业过程强化效果，为读者提供借鉴；*后，提出了今后高剪切混合器需要开展的研究方向。

本书的编写工作由天津大学张金利、李韡、秦宏云、郭俊恒、刘玉东、赵术春，上海弗鲁克科技发展有限公司周鸣亮，合肥通用研究院有限公司徐双庆共同完成。具体编写分工为：张金利编写绪论和第十章，周鸣亮和李韡编写*至第九章中工业应用部分，郭俊恒、秦宏云编写*章*至第三节，赵术春、秦宏云编写第二、三章*至第三节，刘玉东、秦宏云编写第四章*至第三节，徐双庆、郭俊恒编写第五章*、二节，徐双庆、郭俊恒编写第六章*至第三节，徐双庆、赵术春编写第七章*至第三节，徐双庆、刘玉东编写第八章*、二节，郭俊恒编写第九章*、二节。全书由张金利统稿。天津大学研究生陈丽莹、李潇宁和艾冰妍参与了书稿的排版工作。

本书的部分内容是国家973计划项目“乙炔法聚氯乙烯生产过程的高效、节能、减排科学基础”（2012CB720300）、国家自然科学基金项目“气液固三相高剪切反应器性能与模型放大研究”（21076144）和“高剪切与金属掺杂联合调控连续制备磷酸铁锂/碳的过程基础”（21476158）、创新团队发展计划项目“氯碱化工清洁生产与产品高值化”（IRT1161、IRT_15R46）的研究成果，在此衷心感谢国家自然科学基金委、科技部和等的大力资助。

我们尽自己*努力呈现近年来高剪切混合技术的*研究进展，但限于时间和水平，书中难免存在一些不足和疏漏，敬请读者指正。

著者　　

2020年1月5日

《高剪切混合强化技术》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册。高剪切混合器作为一种能量密集型的过程强化手段，近年来在其流动特性、功耗、混合与分散等方面取得了系列研究成果，已在化工、材料、食品、环境等领域获得了广泛的工业应用。本书对间歇式、连续式高剪切混合器在单相、两相（气液、液液、液固）和气液固三相体系的流动与功耗、分散与混合、相间传递及反应性能的影响规律进行了归纳总结，重点描述了操作参数、结构参数、物性参数等对高剪切混合器性能的影响，可以帮助读者更好地理解高剪切混合器的原理、性能；其次，给出了现有的高剪切混合器性能预测方法，以方便读者选择高剪切混合器进行实际生产过程的强化，形成基于高剪切强化技术的新工艺；进而，结合工业应用实例，介绍了高剪切混合器的实际工业过程强化效果，为读者提供借鉴；*后，提出了今后高剪切混合器需要开展的研究方向。

《高剪切混合强化技术》可帮助化工、材料、食品、环境等领域的技术人员更好地选择、使用高剪切混合器，并为利用高剪切混合技术强化混合、溶解、乳化、分散、解聚、反应等过程的研究人员提供参考。

张金利，天津大学化工学院教授，IChemE Fellow、Chartered Engineer，长江学者特聘教授，创新团队、教学团队、“全国高校黄大年式教师团队”和天津市“131人才工程”创新团队负责人。1992年、1994年、2003年先后在天津大学获学士、硕士、博士学位。围绕着我国能源、化工、食品、轻工等行业、清洁生产的重大需求，与团队成员一起从分子-团簇-设备-工厂多尺度进行研究，探究了超临界、多相等复杂体系反应机理，开发了新型催化剂和特种树脂聚合体系；揭示了高剪切混合器（反应器）、微管反应器、塔式反应器、喷射环流反应器、磁场流化床反应器、杯形搅拌反应器、超临界反应器内流动、混合与传递规律，建立了多相过程设计与优化方法，创新了过程强化技术及装备，形成了高剪切混合强化技术、微尺度反应强化技术、反应分离耦合强化技术等；提出了折点法、非线性优化等水热系统优化方法，创建了综合考虑环境因素和外加流股的水热网络同时优化方法，提供了全局优化工具；实现了部分技术与装备的工业应用，与合作企业一起在中国、美国、英国等36个国家和地区推广了3000多家用户，提升了产业水平。以第一作者或通讯作者发表科研论文146篇，以第一发明人获中国发明专利授权26件，获得省部级科技奖励6项；已培养研究生87名。兼任天津市生物与制药工程重点实验室主任、中国化工学会混合与搅拌专业委员会副主任、中国化工学会化工过程强化专业委员会委员、中国化工学会化工信息技术专业委员会委员、中国职业安全健康协会常务理事、中国能源学会能源与环境专业委员会委员。