泰勒-库埃特反应器（TCR）就根据一种特殊的流动原理——泰勒-库埃特流——来工作。其可以在不同的流动状态下进行各种（生物）化学实验，比如制备新的化学物质或者改变物质的性质。而且，它还能非常精确地控制实验条件，确保实验结果更加准确可靠。

由于TCR可以不断地加入新的反应物质，就像是在一个永不停歇的流水线上工作，这使得它在化学工程领域变得非常有用。比如，制药公司可以用它来生产新药，化学工厂可以用它来合成新的材料。

在这篇文章中，我们回顾了TCR的发展历史，解释了它是如何工作的，还介绍了它的设计和构造。我们整理了之前的研究成果，用简单易懂的方式展示了它的工作原理和计算公式。此外，我们还讨论了TCR在多个领域的应用，比如制造均匀的物质、利用光来催化反应、利用酶来加速反应、合成聚合物、制造晶体以及处理废水等。

总之，这篇文章更像是一个TCR的说明书和应用指南，为那些对泰勒-库埃特反应器感兴趣的研究人员提供了一个全面的参考。

在化学和工业生产中，我们总是希望反应过程更快、更有效，这样不仅能提高产量，还能降低生产成本。为了达到这个目标，科学家们一直在研究如何改进反应器的设计，以便更好地传递热量和物质，从而提高反应的速度和效率。

他们尝试了各种不同的方法，比如使用振荡器、挡板、超声波、机械振动等方式来加强反应器内的混合效果。这些方法都能在一定程度上提高反应效率，但它们各有优缺点。

其中，泰勒-库埃特反应器（TCR）是一种基于特殊流动原理的反应器，它利用旋转的内外圆柱体之间的流动来加强混合效果。然而，尽管这种反应器有很多潜力，但在过去的研究中，人们更多地关注了流动本身，而不是这种反应器的设计和应用。

泰勒-库埃特反应器的历史可以追溯到19世纪末，当时科学家们开始研究旋转圆柱体之间的流动行为。随着时间的推移，人们逐渐发现了这种流动在化学反应中的潜在应用，并开始专门设计基于泰勒-库埃特流的反应器。

标准的TCR由一个旋转的内圆柱体和一个固定的外圆柱体组成，它们之间形成一个环形间隙。通过改变内外圆柱体的转速和反应器的几何形状，我们可以控制这个环形间隙内的流动状态，从而定制出最适合我们工艺需要的流动形式。

然而，尽管TCR具有很多优点，比如能够定制流动形式、独立控制轴向流等，但它仍然面临一些挑战。首先，它的设计和操作相对复杂，需要专业的知识和技能。其次，扩大TCR的规模也是一个难题，因为随着规模的增大，流动状态和控制难度都会增加。

总的来说，泰勒-库埃特反应器是一种具有潜力的反应器设计，但它还需要更多的研究和开发，才能在实际生产中发挥更大的作用。

除了上述提到的优势外，泰勒-库埃特反应器（TCR）在学术研究中也发挥着重要作用。科学家们可以用它来研究各种化学反应，比如使用过渡金属催化剂进行的均相反应、光催化反应、酶促反应，以及聚合物合成和结晶等固体处理操作。

随着研究的深入，TCR的潜在应用也在不断扩展。比如，它可能用于分离过程，比如血浆过滤，或是不同的液-液混合和分离操作，如萃取。

当我们谈论泰勒-库埃特流时，实际上我们更关注的是基于这种流动原理的泰勒-库埃特反应器。在这篇综述中，我们首先解释了泰勒-库埃特流的基本现象，然后讨论了与反应器设计相关的工程问题，最后概述了TCR在各种化学和物理过程中的应用。

简而言之，泰勒-库埃特反应器是一个基于特殊流动原理设计的实验工具，它不仅在实验室研究中很有用，而且在工业生产中也有广泛的应用前景。

在讨论泰勒-库埃特反应器（TCR）之前，我们需要理解它背后的物理现象。其中，最重要的是流动状态，它可以用泰勒数（Ta）来描述。

泰勒数（Ta）由间隙宽度d、内筒体直径d、角速度o以及运动粘度v等流体特性决定的，而Rex进一步取决于轴向速度uax。

泰勒数就像是一个指标，它告诉我们旋转的离心力与流体内部的粘性力之间的相对大小。当泰勒数增大时，意味着流体中的湍流程度更高，也就是流动更加剧烈。

但是，泰勒数的定义并不是唯一的，不同的学者可能会给出稍微不同的定义。在本文中，我们采用了Lueptow等人和Richter等人给出的定义，即Ta等于某个特定的雷诺数（Reey）。

另一个重要的参数是轴向雷诺数（Reax），它描述了流体在轴向（也就是沿着圆柱体的高度方向）的流动情况。

泰勒-库埃特反应器中的流动状态会随着旋转速度的变化而变化。在低旋转速度下，流动是层流（如图1所示），就像河水一样平静地流过。

图1：具有以角速度 ω 旋转的内圆柱体和固定壳体的系统中低湍流水平下的库埃特流。U表示流体速度

但随着旋转速度的增加，流体开始变得不稳定，形成一系列对称的旋转涡旋，这就是泰勒涡（如图2所示）。这种流动状态被称为泰勒-库埃特流。

图2: Taylor-Couette反应器中形成的环形涡旋图

泰勒涡之间的流体传递是有限的，但每个涡旋内部都混合得很好。随着旋转速度的进一步增加，涡旋可能会向下游移动，或者发生更复杂的变形。这些变化都会影响反应器中的化学反应。

总的来说，泰勒-库埃特反应器通过控制旋转速度和其他参数，可以精确地控制反应器内的流动状态，从而影响化学反应的效率和产物的性质。这对于化学和生物反应的研究和工业生产都具有重要意义。

图3展示了当泰勒数（Ta）逐渐增加时，流动在泰勒-库埃特反应器（TCR）中的变化。随着Ta的增加，流动会经历几个不同的阶段。

首先，当Ta增加到某个点（称为第二个临界泰勒数Ta_c2）时，原本稳定的涡旋（称为“泰勒涡”）开始变得不稳定，形成了所谓的“波浪涡流”[b]。这就像你在水中搅动一个杯子，开始是平稳的旋转，但随着搅动速度的增加，水开始形成波浪状。

然后，当Ta超过第三个临界数Ta_ca时，这些波浪涡的振幅会被调制，流动变得更加湍乱，我们称之为“调制波状涡旋流动” [c]。这就像是水中的波浪开始变得混乱，相互碰撞和叠加。

随着Ta的进一步增加，流动会变得更加湍流，直到达到完全湍流状态[d]。这就像是水中的波浪变得非常剧烈，难以分辨单个的波浪。

在工艺技术中，泰勒涡旋流特别受关注，因为它能在保持良好混合的同时，减少反向混合（即混合后又分开的现象）。然而，随着研究的深入，人们在考虑旋转筒体时发现了更多的流动模式。

图3进一步说明了随着Ta的增加，Taylor-Couette流向波浪涡流转变过程中中性浮力粒子的平衡位置。在泰勒涡旋流动中，通过这种技术可以看到Ta增加的环形流动模式(见图3a)，而波浪状涡旋流动中的方位波没有给粒子足够的时间到达平衡位置(见图3b)。

在设计TCR时，知道关键泰勒数的数值非常重要。这些数值可以帮助我们预测和理解在不同条件下，流动将如何变化。一个著名的公式，由Taylor在1923年提出，可以用来近似计算第一个临界泰勒数Ta_c1，但更精确的表达式也已经被推导出来。

此外，考虑轴向流动（即沿着圆柱体高度的流动）对稳定性的影响同时，还需要考虑另一个参数——轴向雷诺数Reax。这个参数和直径比一起，可以用来更准确地估计Ta_c1的值。

总的来说，理解泰勒-库埃特流及其在不同条件下的变化，对于设计高效的化学反应器至关重要。

图3 Taylor- couette反应器中主要流动类型的过渡及中性浮力粒子随泰勒数增加的平衡位置。(a)泰勒涡，(b)波状涡，(c)调制波状涡，(d)湍流。

在大多数研究中，TCR主要关注牛顿流体（即粘度不变的流体），因为这类流体更容易测量和分析。然而，在食品加工、生物加工和聚合过程中，经常会遇到非牛顿流体（即粘度随剪切速率变化的流体）。这些非牛顿流体在TCR中的流动行为与牛顿流体有很大的不同。

非牛顿流体的流动在TCR中会变得复杂，因为它们的粘度会随剪切速率变化，这会影响流动的稳定性和向湍流过渡的方式。一些研究发现，非牛顿流体向泰勒涡流动的过渡并不像牛顿流体那样急剧，而是更加渐进的。

当非牛顿流体在TCR中流动时，它们可能会展现出一些特殊的流动模式。例如，旋涡眼可能会沿气缸内壁径向移动，泰勒涡的轴向波长可能会增加，涡旋可能会发生轴向漂移。这些流动模式会影响流体混合和传热的效果。

除了非牛顿流体的影响外，温度梯度也会影响TCR中的流动。如果TCR中存在轴向温度梯度，流动会变得更加复杂，可能会产生全球热对流、稳定涡旋或两者交替出现的现象。这些不同的流动模式对混合和传热的效果都有重要影响。

此外，当TCR中存在反旋转的圆柱体时，流动会变得更加复杂，可能会产生多种不同的子流形式。然而，这种配置在化学或生物化学转化方面的应用尚未得到广泛开发。

总之，TCR中的流动行为受到多种因素的影响，包括流体的性质、温度梯度和圆柱体的旋转方式等。这些因素会导致不同的流动模式，从而影响混合和传热的效果。为了优化TCR的性能，需要深入理解这些因素如何影响流动行为，并根据具体的应用需求选择合适的操作条件。

本章将讨论Taylor-Couette反应器（TCR）在工程应用方面的进展，这些应用涉及到设计、停留时间、物质传输、混合和传热等方面。TCR的基本构造是一个固定的外圆柱壳和一个可以旋转的内圆柱体，它们之间形成一个环形间隙。在多数工业应用中，外壳体是固定的，而内筒则旋转以产生流动。

设计TCR时，我们会考虑几个关键的参数，如内筒直径、外壳体内径、反应釜的高度，以及它们之间的比例关系，如长径比和直径比。这些比例关系有助于我们更简单地设计和缩放TCR。

虽然TCR的体积可能因应用而异，但研究者们已经找到了一些设计规则来指导设计过程。例如，在特定的直径比（如A = 0.65或A = 0.75）下，可以形成稳定的环形涡流。然而，TCR的一个限制是，由于它是一个间隙现象，反应器的体积相对于整个设备的体积来说可能较小。

在TCR中，流体的注入通常被限制在设备的上端和下端，这可能会限制可以注入的流体量，而不破坏涡流结构。为了解决这个问题，研究者们设计了一种新的转子，即使壳体和内筒都在旋转（如图4所示），也能实现径向流体注入。这种设计使得在多个注入点注入液体和气体成为可能，同时保持流动的稳定性。

图4 带有径向流体注入口的TCR

当在TCR中注入流体时，存在一个重要的参数叫做无量纲稳定性数。这个数描述了注入时间与涡旋输送流体所需时间之间的比例关系。如果注入时间太短（即稳定性数太高），流动条件可能会变得不稳定。研究者们发现，在特定的条件下，当稳定性数超过某个阈值时，涡旋结构会发生变化。

转子，也就是Taylor-Couette反应器（TCR）中旋转的部件，它的形状对反应器内的流动特性有着重要影响。这些流动特性包括剪切速率（流体流动时受到的剪切力量）、停留时间分布（流体在反应器中停留的时间长短和分布）以及流型（流体流动的模式）等。

图5是两种经过修改的转子形状，分别是带肋的转子和分叶的转子。带肋的转子（设计a）能够稳定涡流，减少流体在轴向上的混合（即流体在上下方向上的混合），使流体更接近于“塞流”行为（即流体像塞子一样，一层一层地移动）。这种设计对于需要减少回流（即流体在反应器中反复循环）的反应特别有用，比如反应时间较长或轴向流速较低的反应。

而分叶的转子（设计b）则能影响环形间隙内的剪切力分布。这种设计对于需要均匀分布剪切力的应用特别有用，比如当使用可能被剪切力破坏的完整单元时。分叶转子还可能导致反应器内的气泡尺寸更小，这有利于增加质量传递速率（即物质在流体中的传递速度）。

另外，有些研究者还提出了故意在转子设计中产生空化的设计（如图7所示），以在非常高的转速下获得高剪切力。这种设计可以在反应器内部产生强烈的剪切，使气泡尺寸变小，从而提高质量传递效率。

总之，通过改变转子的形状，我们可以调整TCR中的流动特性，以满足不同的工业需求。比如，我们可以根据需要选择合适的转子设计，来优化混合、传质和传热等性能。

图5 (a)肋型侧视图和(b)叶型转子设计截面及尺寸

在Taylor-Couette反应器（TCR）中，混合是一个非常重要的过程，因为它影响着反应效率和产品质量。除了改变转子的设计来优化混合外，加入固体颗粒也是一种有效的增强混合的方法。

Charton等人发现，在TCR中加入固体球形颗粒可以显著提高混合效果。这是因为固体颗粒在流动过程中与流体相互作用，产生了一些特殊的效果。首先，粒子之间的相互作用增强了混合效果，就像搅拌器中的勺子一样，它们不断搅动流体，使其混合更加均匀。其次，固体颗粒还改变了流体的流动特性，如涡旋的稳定性和轴向波长等，这进一步促进了混合。

具体来说，当固体颗粒穿过流体流线时，它们会拖动周围的流体一起移动，从而改变了流体的空间梯度。这种效应使得染料或其他示踪剂在涡旋之间更容易迁移，从而增强了混合。Charton等人还发现，当固体颗粒的粒径和浓度增加到一定程度时，混合效果会更加显著。这是因为更多的颗粒能够参与到混合过程中，产生更大的影响。

此外，固体颗粒还可以与涡旋的外层相互作用，特别是在涡旋之间或停滞点附近。这些区域通常是混合较为困难的区域，但固体颗粒的存在可以改变这些区域的流动状态，使得染料或其他物质更容易在这些区域中迁移和混合。

因此，固体颗粒的加入是一种简单而有效的方法来增强TCR的混合性能。这对于需要高效混合的工业过程来说非常有用，比如使用固体催化剂颗粒进行化学反应的过程。

TCR（Taylor-Couette反应器）的一个主要优点是它能够实现非常均匀的混合，这对于许多化学反应来说都是非常重要的。特别是对于需要长时间反应和较少回流（即反应物在反应器中反复循环）的过渡金属催化反应，TCR的窄停留时间分布特别有用。

    Behr小组研究了TCR在回收有价值的催化剂并转化可再生资源方面的应用。他们使用了一种叫做热致溶剂系统（TMS）的技术，这种系统允许通过温度变化轻松分离催化剂和产物。在他们的研究中，他们成功地将一个实验室规模的反应转移到了一个连续操作的TCR中，用于将一种叫做月子烯的废物资源化。

    这个连续操作的微型装置包括一个反应器、一个相分离装置，以及必要的泵和恒温器。TCR在这里的主要优势是它能够提供高度的隔离，这意味着反应物可以在反应器中停留数小时，这对于需要长时间反应的过程非常有利。

    在他们的实验中，他们成功地将月子烯转化为萜烯胺，并实现了82%的转化率和80%的收率。然而，他们也发现催化剂在反应过程中会失活，这可能是由于催化剂在加热的内筒上积累所致。不过，这个问题可以通过在TCR中刷新催化剂来解决。

    总的来说，TCR为需要长时间反应和良好混合的化学反应提供了一个优秀的平台。尽管在长期实验中可能会遇到一些挑战，如催化剂失活或污垢问题，但这些都可以通过一些技术手段来解决。

图6由Färber和Behr构建的用于β-月桂烯氢胺化的Taylor-Couette反应器的迷你工厂