高剪切混合器具有局部超高的能量耗散速率和剪切速率,可以使物料在剪切头位置实现快速均匀的混合;同时,高的能量耗散速率和剪切速率能够极大地增加相间接触面积和局部湍动强度,有效地实现过程强化。目前,对于定转子及分布装置几何构型的优化研究开展的不够,缺乏系统研究。为此,本文针对不同化工过程对管线式高剪切混合器的几何构型优化进行了系统的研究。首先,选用碘化物-碘酸盐平行竞争化学反应体系系统的研究了叶片-网孔型和齿合型两种构型的高剪切混合器的微观混合性能,包括转子转速、流量比以及浓度等;采用CFD软件对高剪切混合器内部的流动特性进行了模拟分析。基于实验和CFD模拟分析结果,对齿合型高剪切混合器的叶轮式紧固螺母、液体分布器等的几何构型进行了优化;优化后的高剪切混合器具有良好的微观混合性能,基于团聚模型计算的微混合时间能够达到10-5秒。其次,选用煤油-水乳化体系和煤油-水-苯甲酸萃取体系研究了连续的单圈叶片-网孔型高剪切混合器在不同定转子几何构型下的乳化和萃取性能,包括定子的开孔形状和开孔数目、转子叶片的弯曲方向和数目、以及新型双圈转子等。采用CFD模拟分析了不同构型高剪切混合器内的速度、剪切速率以及湍动能耗散速率等流动特性,重点分析了高剪切混合器内部流体短路现象。研究结果表明:与定子开孔形状相比,开孔数目对乳化和萃取的影响更大;与转子叶片弯曲方向相比,叶片数目对乳化和萃取影响较大;提高定转子区域的剪切速率,降低定转子剪切间隙位置短路流体的数量,能够有效的强化乳化和萃取。优化后的构型在3500 rpm下d32能够达到8.2μm,3000 rpm下总体积传质系数kLa能够达到5.1min-1。最后,选用亚硫酸钠氧化体系研究了齿合型高剪切混合器在不同设备构型下的气-液传质特性,包括定转子构型、分布器构型、定转子级数等。研究结果表明:与定转子级数相比,分布器对传质性能影响更大。定转子齿相互平行,搭配气液先混合后分散的分布器能够实现最大程度的气液分布,获得最好的气液传质性能。在2000 rpm和气液相流量都为200 L/h下,总体积传质系数kLa能够达到3.5 s-1,气液界面积能够达到6000 m~2/m~3。