随着纳米技术在各领域的深入发展，以纳米纤维素为代表的生物质纳米材料因其独特的结构和优越的理化性能，受到材料领域学者和企业界的广泛关注。但国内关于纳米纤维素制备方向上的研究仍停留在实验室阶段，为解决商业化生产过程中高昂的成本问题以及朝着绿色高效可持续的方向发展，中试研究就变得尤为重要，主要包括制备工艺的选择和生产线的设计。
　　搅拌反应器作为整个中试生产线的核心设备，优化搅拌反应器结构提高物料混合效率是人们关注的热点。随着计算流体力学(CFD)近年来在搅拌混合过程研究上的发展，深入研究反应器内的流场特性，预测结果的可视化，使搅拌反应器的选型与设计不再完全依赖于实验和经验，大大缩短研究时间的同时显著提高实验结果的准确性。本文的主要研究内容如下:(1)纤维素纳米晶中试生产线及其工艺设计
　　通过实验从产物得率、经济性和环境友好的角度研究了高碘酸盐次序氧化法制备纤维素纳米晶工艺的可行性。结果表明，由该方法制得的纤维素纳米晶得率高，能耗低，且操作条件简单（常温），环境友好，因此该方法可用作制备纤维素纳米晶。并设计出了一条制备规模为1kg/d的纤维素纳米晶中试生产线。
　　(2)搅拌反应器的模型设计优化与数值模拟研究
　　根据小试实验过程中存在的问题及经验总结，发现固相短棒状纤维素颗粒在吸水后会变得粘稠，搅拌过程中会在搅拌桨推力的作用下附着在反应器底部、侧壁面以及壁面挡板上，残渣的大量聚集会改变搅拌反应器内的流场形态，进而影响物料的混合质量。在采用无挡板设计以解决上述问题时，仍存在打旋和混合效率低的问题，本研究打破了传统圆柱形搅拌反应器的外形构造，设计了一种无挡板球形搅拌反应器。结合计算流体力学的基本理论，利用FLUENT软件建立氧化过程中搅拌反应器内的固-液混合模型。从固相颗粒体积分数、固相颗粒速度、固相颗粒轴向速度和湍动能分布四个角度对比研究了圆柱形搅拌器和球形搅拌器内的流场特性。根据数值模拟结果得出，在该结构和转速n=500rpm的条件下，相比于圆柱形搅拌反应器，球形搅拌反应器内的固液混合效果得到明显改善，但打旋和物料附着器壁的问题没有得到很好解决。
　　(3)球形搅拌反应器固液均匀混合的影响因素优化
　　通过数值模拟的方法，进一步研究搅拌器桨叶直径、搅拌器安装高度和搅拌轴转速对球形搅拌反应器内流场形态的影响，采用控制变量法确定了球形搅拌反应器模型结构的最佳参数组合。根据数值模拟结果得出，桨叶直径d=0.45D最优，安装高度c=0.25D或略高于0.25D均可，搅拌轴的最佳转速n=650rpm。优化后的球形搅拌反应器打旋和物料附着器壁的问题得到明显改善。
　　(4)球形搅拌装置的结构设计
　　根据上述仿真结果对优化后的球形搅拌反应器进行机械结构设计。主要包括电机功率型号的选择，轴径和材料的确定，并设计了滑动装置和清洁装置，彻底解决了打旋和物料附着器壁问题。整个建模过程在CATIA软件上完成，并结合其知识工程模块和数字化装配模块的DMU运动仿真，实现整个装置的参数化设计并模拟了整个工作过程，为高碘酸盐次序氧化法制备纤维素纳米晶中试生产线中搅拌反应器的设计提供参考。