日前，我校化工学院辛忠教授团队围绕降膜反应器内流体力学与传质强化领域开展了系统理论研究，相关成果揭示了气液界面剪切力打破经典Nusselt平衡的内在机制，建立了宽工况下高精度的液膜厚度预测关联式，为工业降膜反应器的精细化设计与过程强化提供了关键理论支撑。相关研究论文以“Gas-Induced Liquid Film Characteristics and sulfonation reaction in Falling Film Reactors”为题发表在AIChE Journal上。
降膜反应器是化工、制药、能源与环保领域广泛应用的核心单元设备，凭借比表面积大、停留时间短、压降低等优势，在蒸发、气体吸收、多相反应等工艺中发挥着不可替代的作用。百余年以来，经典Nusselt液膜理论始终是降膜反应器设计、性能核算与工艺放大的核心依据。但该理论建立在纯重力驱动的理想假设之上，未考虑气相流动带来的界面剪切效应，在工业常见的高气速操作工况下，预测结果与真实流场偏差显著，长期导致反应器设计偏保守、传质与反应性能评估失真，制约了降膜工艺的效能优化与精准放大。
针对这一理论瓶颈，研究团队通过理论分析与数值模拟相结合的方式，深入阐释了气相剪切作用下液膜内部的动量传递规律。研究表明，气液界面剪切会普遍打破经典Nusselt力平衡，通过重塑液膜内部速度剖面，成为驱动宏观液膜减薄的主导因素。同时，研究团队创新性地提出气液界面剪切数(Π)这一全新无量纲参数，对经典Nusselt解进行系统性修正，构建了适用于多种工质、宽操作范围的鲁棒性预测关联式。验证结果显示，该关联式对平均液膜厚度的预测误差可稳定控制在±15%以内，相比经典Nusselt理论在高气速下±40%的固有误差，预测精度提升2-4倍。该研究完善了气液降膜流动的基础理论体系，解决了经典理论在工业高气速工况下预测失真的长期难题。所提出的预测关联式与工程设计导则，可为各类降膜反应器的精准设计、工艺优化与效能升级提供重要的理论工具与实践指引，对推动化工气液过程的高效化、精细化发展具有重要意义。
该研究论文第一作者为华东理工大学化工学院的“拔尖创新人才计划”博士生万海涛，研究工作在化工学院周长路副教授和辛忠教授指导下完成。研究工作得到上海市“超限制造”重大专项的支持。
论文链接：http://doi.org/10.1002/aic.70541
