传质控制下宽分布石膏颗粒群溶解特性

烟气CO_2直接与工业固废磷石膏矿化反应生成碳酸钙与硫酸铵的控速步骤是磷石膏的溶解。在传质控制下,准确表达溶解特性是矿化反应器设计的理论依据。采用种群平衡模型预测传质控制下粒径宽分布石膏颗粒群溶解特性,采用矩积分法和特征线法对模型进行数值求解并与传统的平均粒径模型表达进行对比。结果显示:种群平衡模型反映了粒径分布对溶解速率的影响,计算得到溶解过程中总容积传质系数的变化,与实验结果吻合良好,证实了种群平衡模型预测的可靠性。与之相比,平均粒径模型预测溶解速率值比实验值偏大,由此解释了工业反应器中物料实际停留时间大于模型计算值的原因。     

磷酸二氢钾在乙醇-水溶剂中溶解特性

磷酸二氢钾(KDP)在混合溶剂中溶解过程的定量表达是溶析结晶器设计及优化的理论依据。基于种群平衡模型,建立多分散颗粒溶解模型,利用OptiMax结晶工作站和聚焦光束反射测量仪(FBRM)获得KDP颗粒群在乙醇-水溶剂中溶解实验数据,采用最小二乘法获得了溶解速率常数;模型预测了溶解过程KDP颗粒粒度分布的动态变化规律,模拟值与实验值吻合,验证了模型的合理性;采用标准矩量法获得KDP颗粒群表面积、体积以及平均粒径随时间的变化趋势,结果表明KDP颗粒群溶解过程以中小颗粒为主。研究结果对多分散颗粒的工业结晶过程设计具有一定参考价值。     

磷石膏-氨-水固碳反应体系氨浓度对石膏颗粒溶解速率的影响

磷石膏-氨-水固碳反应体系中石膏颗粒的溶解,是三相流化矿化反应系统的控制性步骤。在氨水溶液中石膏颗粒能与氨分子形成N—H…O氢键,导致石膏溶解速率受氨浓度影响。基于已知粒度分布的石膏颗粒群在不同氨浓度下的溶解实验数据,采用种群平衡模型与物料衡算相结合的方法,探究了氨浓度对石膏颗粒群溶解特性的影响规律。结果表明:氨浓度的增加会降低石膏溶解速率,随着溶解的进行,氨对溶解的抑制作用会减弱。此外,随着氨浓度的增大,增加单位氨浓度石膏溶解速率的降幅将变小。结合实验数据拟合关联溶解动力学参数,构建了氨浓度影响下石膏的溶解速率模型,预测了三相流化矿化反应系统中两个串联回路石膏料浆所需的停留时间,为磷石膏-氨-水固碳反应体系矿化烟气CO₂的放大设计提供了理论依据。     

二次流场促进高浓度颗粒污泥体系的传质效率

将提供特定流体动力条件(二次流)的SSBR反应器和普通向上流SBR反应器进行对比,试验分析氧传质性能、降解性能和颗粒污泥形态,研究高浓度颗粒污泥体系中,优化的流体动力条件-二次流对氧传质效率的影响以及由此引起的种群分布变化.结果表明,SSBR反应器的氧传质速度更快,稳定运行的SSBR反应器能维持更高的溶解氧,有利于提高颗粒污泥内部的溶解氧渗透能力,对颗粒污泥中心区域的营养供给充分,颗粒污泥内部微生物不易老化,有利于颗粒污泥体系的稳定和强化有机物的降解效率.     

脱气除油旋流系统流场分布及分离特性

目前我国大部分油田已进入高含水阶段,且采出液中常带有大量伴生气,采用旋流分离法实现采出液高效分离对于简化陆上油田地面处理工艺及提升海上平台经济环保的采出液处理技术具有重要意义。脱气除油旋流系统由GLCC型气液分离器和油滴重构旋流器串联组成,设计的目的是在保证高效脱气的同时进一步改善对小油滴的去除效果,实现油气水三相高效分离。本文基于计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）方法,利用种群平衡模型（population balance model,PBM）模拟油滴破碎与聚结,对脱气除油旋流系统内部流场特性及粒度分布进行模拟分析,并采用数值模拟与试验相结合的研究方法,对比分析不同含气体积分数和气相出口分流比对脱气除油旋流系统分离性能的影响规律。结果表明：含气体积分数与气相出口分流比对脱气除油旋流系统分离效率的交互作用较显著,在研究范围内综合脱气效率和除油效率可以得到,含气10%、20%、30%的最佳分流比分别为25%、30%、35%,数值模拟结果与试验结果吻合良好,验证了数值模拟方法的可靠性。另外,含气体积分数越大,油滴重构旋流器的油滴分层重构现象越明显,油滴重构旋流器可以在一定程度上改善含气情况下油水分离效果差的现象,脱气除油旋流系统对油气水三相分离的适用性较好。     

宽筛分非正态分布颗粒物料的流态化特性

对宽筛分、粒度非正态分布颗粒物料的基本流态化特性进行了实验和理论研究 ,探讨了颗粒群的填充现象对临界空隙率及起始流化速度的影响 ,描述了颗粒群的离析现象在床层阻力特性曲线上的表征 ,分析了气泡运动与颗粒的轴向混合。     

基于PBM的L-谷氨酸粒度分布控制优化

针对β型L-谷氨酸冷却结晶过程,为获取期望粒度分布,采用特征曲线法（MOCH）来建立关于粒度相关生长率的种群平衡方程（PBE）,然后通过对种群平衡模型（PBM）参数辨识后确定最优过饱和度及控温曲线。由于辨识模型参数的目标函数具有非线性和非凸型性,因而采用少量经济性的批量冷却结晶实验,结合图像分析晶种和产品粒度分布得到的统计数据,拟合模型参数。根据实际要求的结晶过程时间,为达到目标粒度分布,通过优化结晶过程的过饱和度获得最优调温曲线,实现基于恒定过饱和度的晶体生长过程优化控制。实验结果表明通过优化的控温曲线,实现了基于最优过饱和度控制的期望目标粒度分布。     

颗粒群粒度分布宽度表示方法的研究

总结了传统的粒度分布宽度的表示方法,分析了它们的适用场合。通过理论推导,提出了一种表示粒度分布宽度的新方法--颗粒群的分形维数。颗粒群的分形维数D可定量描述粒度分布宽度。分形维数D越大,颗粒群的粒度分布越宽。     

氨-水-石膏固碳反应过程石膏溶解特性实验研究

石膏溶解是氨-水-石膏固碳反应过程的控制步骤。以石膏圆盘为研究对象,实验探究了二氧化碳气速、搅拌转数、氨的质量分数对石膏溶解特性的影响。研究结果表明:增大氨的质量分数会抑制石膏的溶解,增大二氧化碳气速和搅拌转数均会促进石膏的溶解。同等倍数改变反应条件时,二氧化碳气速是影响石膏溶解速率的最敏感条件,当二氧化碳气速增大1. 5倍,石膏溶解速率常数可增大63. 5%。可见,二氧化碳气速是调控氨-水-石膏固碳反应过程的关键参数。     

二项式分布在种群平衡模型模拟粒度分布中的应用

提出了一种适用于几何网格的子粒子二项式分布函数,并应用于种群平衡模型模拟活性污泥絮凝后的粒度分布。结果表明：与二元分布相比,该二项式分布可以得到更准确的粒度分布和平均粒度模拟值;通过校核二项式分布参数C_p的取值,可以提高粒度分布和平均粒度的模拟精度。相比于二元分布或正态分布只能描述一种类型的子粒子分布,该二项式分布具有较强的适应性,调整参数C_p的取值,可以得到更多可能的子粒子分布;参数C_p还可以表征粒子的破碎方式--较小的C_p值表征粒子具有较强的稳定性,易破碎生成较大的子粒子;较大的C_p值表征粒子具有较弱的稳定性,易破碎生成较小的子粒子。     

Enhancement of mass transfer from particles by local shear-rate and correlations with application to drug dissolution

We analyze hydrodynamic enhancement of mass (or heat) release rate from small spherical particles within fluid flows from local flow shear-rate, with application to drug dissolution. Combining asymptotic theories in the high/low shear Peclet number limits in Stokes flow with 205 carefully-developed computational experiments, we develop accurate correlations for shear enhancement of Sherwood/Nusselt number (Sh/Nu) as a function of shear Peclet and Reynolds number (S^*, Re _S). The data spanned S^* from 0 to 500 and Re _S from 0 to 10. In Stokes flow our correlations are highly accurate over the entire S^* range, whereas for finite Re _S < 1 accuracy is good for S^* up to a few thousand. Shear enhancement results from highly three-dimensional spiraling flow created by particle spin. We develop a model for particle slip velocity that is inserted into the Ranz/Marshall correlation to show that shear-rate enhancement strongly dominates convection, a result important to drug dissolution.     

Simulation of mass and heat transfer of Quercus leaf particles during hydrothermal extraction

Mass and heat transfer models of Quercus leaf particles during hydrothermal extraction were developed in COMSOL Multiphysics. The main physical properties used in the model were measured. The results showed that the average particle size was 116.7 μm, and after soaking in water for 24 h, the average particle size increased to 127.3 μm. However, the average particle size increased from 116.7 to 132.8 μm after soaking in a 60% (v/v) ethanol solution for 40 min, and decreased to 127.3 μm after 60 min. The Quercus leaf particles have a higher ability to absorb ethanol solution than water. The simulations showed that it took 3.2 s for the ethanol concentration and 0.5 s for the temperature in the particles to tend stably after soaking in a 60% (v/v) ethanol solution at 40°C. From the edge of the particle to the centre, the increasing rates of ethanol concentration and temperature gradually slowed down, while the changing rates of the centre accelerated with the increase in solution concentration and temperature, respectively. When the particles soaked at the lowest concentration, the central concentration first reached stability, and at the lowest temperature, the centre temperature first stabilized.     

管道流动体系中水合物颗粒粒径分布特性数值模拟

研究管道内水合物颗粒的粒径分布特性对深水流动安全保障具有十分重要的意义。为模拟管道流动体系中水合物颗粒的粒径分布特性,本文首先建立了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地刻画管内水合物颗粒的流动行为。随后,根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用FLUENT 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟水合物颗粒初始粒径分布、水合物体积分数、管内流速和水合物颗粒初始粒径大小对管内水合物颗粒粒径分布类型及分布规律的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物防治技术的发展提供技术支持。     

锂离子电池异构建模及内部传质机理探究：粒径分布的影响

锂离子电池是目前应用较广的储能设备,具有能量密度高、使用寿命长等特点。随着锂离子电池正极材料实际能量密度接近理论值,电池组装工艺参数的优化成了提升其性能的重要途径,其中电极颗粒粒径及分布是十分重要的参数。因此,本文针对石墨-LiFePO₄体系锂离子电池,利用异构模型构建单粒径和双粒径电极的几何结构,再结合Newman模型模拟其放电过程,定量研究了正极材料粒径分布对锂离子电池性能的影响,探究了存在粒径分布的电极中不同粒径的颗粒在充放电过程的作用机制。模拟结果表明,粒径的减小可以减小固相扩散系数对电池性能的影响,但会增加液相扩散阻力;而粒径的分布可以促进锂离子在电解液中的扩散,提高小粒径颗粒的锂嵌入量,但会引起极化增大,导致大颗粒的锂嵌入量降低。粒径分布宽度越大,总体粒度越大,锂离子电池的能量密度越小。选择合适的粒径分布宽度,适当减小总体粒度的大小,能有效提升电极的能量密度。研究结果对于锂离子电池电极活性材料颗粒粒径分布的选择提供了有益的基础知识和指导。     

Modeling the axial distribution of mass transfer coefficient in an agitated-pulsed extraction column

The dispersed phase holdup and drop size in solvent extraction columns vary along the column height and this affects the mass transfer coefficient and interfacial area. In this article, mass transfer study was performed experimentally using a 25 mm diameter agitated pulsed column. The axial distribution of mass transfer coefficient was determined by coupling population balance equation and axial dispersion model by taking the longitudinal variation in hydrodynamic performance into consideration. Feasibility of different mass transfer models in predicting concentration profiles was evaluated and a novel correlation based on effective diffusivity was developed. The results showed that both overall and volumetric mass transfer coefficients have significant change along the column height and greatly depends on the agitation speed and pulsation intensity. Increasing dispersed phase velocity also augments the overall mass transfer coefficient. The maximum number of transfer unit was measured to be 10 m⁻¹ at agitation speed of 1000 rpm.     

Numerical simulations of gas-liquid mass transfer in bubble columns with a CFD-PBM coupled model

Gas-liquid mass transfer in a bubble column in both the homogeneous and heterogeneous flow regimes was studied by numerical simulations with a CFD-PBM (computation fluid dynamics-population balance model) coupled model and a gas-liquid mass transfer model. In the CFD-PBM coupled model, the gas-liquid interfacial area a is calculated from the gas holdup and bubble size distribution. In this work, multiple mechanisms for bubble coalescence, including coalescence due to turbulent eddies, different bubble rise velocities and bubble wake entrainment, and for bubble breakup due to eddy collision and instability of large bubbles were considered. Previous studies show that these considerations are crucial for proper predictions of both the homogenous and the heterogeneous flow regimes. Many parameters may affect the mass transfer coefficient, including the bubble size distribution, bubble slip velocity, turbulent energy dissipation rate and bubble coalescence and breakup. These complex factors were quantitatively counted in the CFD-PBM coupled model. For the mass transfer coefficient k_l, two typical models were compared, namely the eddy cell model in which k_l depends on the turbulent energy dissipation rate, and the slip penetration model in which k_l depends on the bubble size and bubble slip velocity. Reasonable predictions of k_la were obtained with both models in a wide range of superficial gas velocity, with only a slight modification of the model constants. The simulation results show that CFD-PBM coupled model is an efficient method for predicting the hydrodynamics, bubble size distribution, interfacial area and gas-liquid mass transfer rate in a bubble column.     

甘露醇喷雾干燥过程中液滴粒度分布变化的群体粒数衡算模拟和实验研究

利用群体粒数衡算（population balance，PB）计算机模拟和实验研究了甘露醇水溶液的喷雾干燥过程中液滴的粒度分布的变化规律。液滴干燥过程中的颗粒粒度的萎缩速率，在群体粒数衡算模型中描述为液滴的逆（或负）生长项，通过单个液滴反应动力学方法（reaction engineering approach，REA）获得。基于单个液滴干燥的反应工程方法模型REA和群体粒数衡算模型PB集成建立了PBREA模型。PBREA 模型的求解是通过高分辨率数值方法。本文模拟研究了不同工况下，不同粒径液滴的干燥时间、液滴平均含湿量以及液滴粒度分布随时间的变化。结果显示，液滴粒径越大，干燥时间越长，模型预测的颗粒平均粒径为实验值的1.0~1.5倍，粒度分布跨度是实验值的0.61~0.89倍。模拟误差主要来源于液滴及颗粒粒径分布统计精度、单个静止液滴与群体运动液滴干燥的差异、热导率及扩散系数是经验值3个方面。在使用Buchi 290 小型喷雾干燥仪进行的实验中，使用了图像采集和分析方法得到了液滴及颗粒的数密度分布，并和模拟结果做了对比。结果表明该模型可以有效地预测喷雾干燥过程中干燥颗粒的平均粒度及分布跨度。     

浆料反应增强气液传质

针对液膜区存在复杂反应的浆料吸收体系,通过气体吸收对分散相颗粒溶解增强作用的研究,建立了反应浆料增强气体吸收的三区域模型.采用搅拌槽间歇吸收实验测定了不同搅拌强度和Mg(OH)₂浆料固含率时SO₂吸收速率增强.研究发现,颗粒粒径、浆料浓度、“惰性区”厚度以及待吸收气体分压等参数是影响吸收增强作用的主要参数.考虑气液近界面“惰性区”和浆料表观黏度影响后的三区域模型结果与实验结果具有良好的一致性.     

二氧化硅纳米颗粒对冰浆中冰晶粒径分布及存储演化特性的影响

分别以乙二醇水溶液和氯化钠水溶液为基液配制不同浓度的二氧化硅纳米流体并以此制备冰浆,通过显微装置获得冰晶图像,将实验得到的粒径分布与正态分布、对数正态分布、Gamma分布和Weibull分布进行对比,探讨纳米二氧化硅对冰晶平均粒径与分布特性的影响,同时观测储存过程中冰晶粒径演化规律。结果表明：加入纳米二氧化硅前后冰晶粒径分布均可用Gamma分布描述;纳米二氧化硅可起到细化晶粒的作用,而且添加浓度越高冰晶颗粒越小;当基液为乙二醇水溶液时,加入纳米二氧化硅可较好地抑制储存过程中的冰晶粒径增长,但基液为氯化钠水溶液时,纳米二氧化硅浓度需达到0.75%,才可抑制冰晶增大。研究结果证明,一定浓度的纳米二氧化硅流体可作为制冰溶液,起到减小冰晶粒径并控制冰晶生长的作用,这对冰浆流动和传热性能的改善具有重要的应用价值。