《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Hydrodynamic characterization and regime mapping of a helical screw-induced rotation (HSIR) reactor via residence time distribution-based and dimensionless analysis
编辑推荐：
阿拉什·贾万马尔德（Arash Javanmard）|法蒂娅·穆罕默德·祖基（Fathiah Mohamed Zuki）|万·穆罕默德·阿什里·万·达乌德（Wan Mohd Ashri Wan Daud）|穆罕默德·法兹利·阿卜杜勒·帕塔（Muhamad Fazly Abdul
阿拉什·贾万马尔德（Arash Javanmard）|法蒂娅·穆罕默德·祖基（Fathiah Mohamed Zuki）|万·穆罕默德·阿什里·万·达乌德（Wan Mohd Ashri Wan Daud）|穆罕默德·法兹利·阿卜杜勒·帕塔（Muhamad Fazly Abdul Patah）
马来西亚马来亚大学化学工程系，50603，吉隆坡，马来西亚
摘要
螺旋辅助反应器的流体动力行为在决定颗粒传输、混合效率以及生物质转化系统的整体性能方面起着关键作用。本研究使用500克2毫米厚的热解棕榈壳进行冷流示踪实验，研究了垂直螺旋诱导旋转（HSIR）反应器的性能。系统评估了进料器旋转速度（FRS，10–40 rpm）和螺旋旋转速度（HSRS，10–100 rpm）对停留时间分布（RTD）的影响。量化了关键停留时间分布参数，包括平均停留时间（MRT）、方差、偏度、变异系数（CV）和峰度。随着旋转速度的增加，平均停留时间显著从237分钟降至27分钟，表明轴向传输得到了增强。然而，更高的速度增加了分散性（方差和CV），反映了流动均匀性的降低。负偏度证实了示踪剂的早期穿透和旁路现象，而峰度则表明在较高条件下混合变得非理想化。为了扩展传统分析，引入了无量纲和性能指标（NRe、分散数、SDI、HDN、HDI、PRE和RTU）。结果表明，进料器旋转速度主要控制停留时间的分散，而螺旋旋转速度增强了径向混合。总体而言，HSIR反应器表现出介于塞流和分散流之间的混合流态，为连续生物质处理系统的流体动力优化提供了基础。
引言
由于其丰富性、碳中和特性以及减少对化石燃料依赖的潜力，生物质已成为可持续能源生产的有希望的可再生资源。随着全球能源需求的持续增长和环境问题的日益关注，将生物质转化为燃料和增值产品引起了化学工程和能源研究的广泛关注[1]。生物质衍生燃料具有较低的温室气体排放、可再生性和与现有能源基础设施的兼容性等优点，使其成为传统化石燃料的可行替代品[2]。图1a展示了常见的生物质转化途径。
为了有效利用生物质中储存的能量，已经开发了一系列转化技术，这些技术大致分为热化学、生物化学和物理化学过程。热化学转化方法，包括热解、气化、热解和液化，因其快速反应速率和处理多种原料的能力而被广泛使用[3,4]。热解在没有氧气的条件下通过热分解将生物质转化为生物油、炭和气体，而气化则在受控氧化条件下产生合成气（CO和H2[5]。液化过程在适中的温度和压力下将生物质转化为液体燃料，通常需要在溶剂或催化剂的存在下进行[6,7]。相比之下，生物化学过程如发酵和厌氧消化依赖于微生物活动来生产生物燃料如乙醇和沼气，尽管这些方法通常需要更长的处理时间和更严格的原料条件[8]。
在这些方法中，热化学转化因其灵活性、可扩展性和与固体生物质原料的兼容性而受到特别关注。然而，热化学过程的效率受到反应器设计和流体动力行为的强烈影响，特别是在处理颗粒材料的系统中[9]。关键因素如停留时间、混合强度和颗粒传输直接影响热传递、反应动力学和产品分布[10]。因此，理解和控制反应器流体动力学对于优化生物质转化性能至关重要。
已经开发了多种用于生物质转化的反应器配置，包括固定床反应器、流化床反应器、旋转窑和螺旋反应器，如图1b所示。流化床反应器以优异的混合和热传递性能著称，而固定床系统则提供了操作的简便性和对停留时间的精确控制[11,12]。特别是螺旋反应器，由于能够连续处理固体原料并通过机械运动提供可控的传输和混合而受到越来越多的关注[13]。螺旋的旋转同时实现了颗粒的轴向输送和径向重新分布，形成了与传统理想反应器模型不同的复杂流动环境。
尽管这些反应器具有优势，但其流体动力行为仍尚未得到充分理解。与以气体-固体相互作用为主导的流化床不同，螺旋反应器依赖于机械诱导的运动，导致混合流态，其特征是同时存在传输和分散[14]。这些非理想的流动模式会显著影响停留时间分布（RTD）、混合效率，最终影响生物质转化过程的性能[15]。然而，大多数关于螺旋反应器的现有研究主要集中在产品产量和热性能上，对基本流体动力特性的研究较少[[16], [17], [18]]。在这种情况下，RTD分析为研究反应器流体动力学提供了强大的框架。RTD可以通过平均停留时间、方差、偏度和峰度等统计指标量化颗粒的停留行为，从而洞察流动均匀性、分散性和与理想行为的偏差[19]。然而，对于机械驱动的颗粒系统（如螺旋反应器），仅使用传统的RTD分析往往不足以完全捕捉颗粒传输机制的复杂性。
为了解决这一局限性，本研究开发了一种基于RTD分析结合无量纲和性能指标的综合性流体动力表征方法。特别引入了雷诺数（Re）、分散数（SDI）、流体动力分散数（HDN）、流体动力分散强度（HDI）、生产力-停留效率（PRE）和停留时间利用率（RTU）等额外指标，以提供更全面的反应器行为评估。本研究重点研究了螺旋诱导旋转（HSIR）反应器，这是一种旨在通过机械和类似流化作用增强颗粒传输和混合的新配置。利用冷流示踪实验，系统研究了进料器旋转速度（FRS）和螺旋旋转速度（HSRS）对停留时间行为和流体动力性能的影响。主要目标是：（i）在不同操作条件下量化RTD特性；（ii）分析机械操作参数与流体动力分散之间的关系；（iii）建立HSIR反应器内颗粒传输的机理理解。这些发现为优化螺旋辅助反应器提供了坚实的基础，并有助于更广泛地理解基于固体的热化学转化系统中的流体动力学。
节摘
反应器配置和实验设置
通过设计用于分离颗粒传输现象和化学反应效应的冷流示踪实验，研究了HSIR反应器的流体动力行为。冷流测试能够在不受到热转化反应复杂影响的条件下评估停留时间行为、颗粒分散和内部流体动力模式。HSIR反应器由一个配备有螺旋结构的垂直圆柱形容器组成
RTD演变和示踪剂动态
图4展示了在不同FRS和HSRS条件下HSIR反应器的累积停留时间分布F(t)曲线。在所有操作条件下，F曲线都表现出特征性的三阶段行为：（i）示踪剂进入和分散的快速上升阶段；（ii）代表流入和流出平衡的准稳态平台阶段；（iii）与示踪剂耗尽相关的下降阶段。在低进料条件（FRS = 10 rpm）下，
HSIR反应器中的流体动力传输机制
来自冷流示踪实验的RTD为HSIR反应器的内部流体动力行为提供了基本见解。图7中的概念模型表明，反应器内的颗粒运动受两种耦合机制的控制：由螺旋叶片引起的轴向输送和由机械搅拌产生的径向重新分布。这两种机制的相互作用产生了复杂的三维颗粒轨迹
研究的局限性和范围
尽管本研究对HSIR反应器进行了全面的流体动力表征，但仍需承认一些局限性以便正确理解研究结果。（i）实验是在冷流条件下进行的，未考虑热效应、反应动力学和气体-固体相互作用。因此，观察到的停留时间行为和混合特性仅反映了纯粹的机械和颗粒传输现象。在实际情况中
结论
本研究通过结合停留时间分布（RTD）分析的冷流示踪实验，对垂直螺旋诱导旋转（HSIR）反应器进行了全面的流体动力表征。结果表明，反应器内的颗粒传输受到进料器旋转速度（FRS）和螺旋旋转速度（HSRS）的共同作用，这两种速度共同产生了结合了轴向塞流和颗粒分散运动的混合流态。
作者贡献声明
万·穆罕默德·阿什里·万·达乌德（Wan Mohd Ashri Wan Daud）教授：指导；资金获取；项目管理；验证。
阿拉什·贾万马尔德（Arash Javanmard）博士：概念化；数据收集与整理；方法论；研究；正式分析；验证；可视化；撰写初稿；审阅和编辑。
穆罕默德·法兹利·阿卜杜勒·帕塔（Muhamad Fazly Abdul Patah）博士：指导；资金获取；项目管理；验证。
法蒂娅·穆罕默德·祖基（Fathiah Mohamed Zuki）博士：指导；资金获取；项目管理；验证。
所有作者
资金声明
本工作得到了马来西亚高等教育部的基础研究资助计划DP KPT（FRGS/1/2022/TK05/UM/02/31）以及马来亚大学RU项目编号GPF025A-2023的财政支持
数据可用性
使用的数据在文章的表格和图中呈现。相应作者将根据请求提供任何额外或相关信息。
CRediT作者贡献声明
阿拉什·贾万马尔德（Arash Javanmard）：撰写 – 初稿撰写、可视化、软件开发、项目管理、方法论、研究、正式分析、概念化。法蒂娅·穆罕默德·祖基（Fathiah Mohamed Zuki）：验证、指导。万·穆罕默德·阿什里·万·达乌德（Wan Mohd Ashri Wan Daud）：撰写 – 审阅与编辑、验证、指导、项目管理、方法论。穆罕默德·法兹利·阿卜杜勒·帕塔（Muhamad Fazly Abdul Patah）：撰写 – 审阅与编辑、验证、指导。
