检索结果-内蒙古大学图书馆

环境工程学报 2023年第9期17卷 2803-2812页

作者：孙观来柳蒙蒙郁达伟魏源送王浩刘国梁常江中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室北京100085 河北工程大学能源与环境工程学院邯郸056038 中国长江三峡集团有限公司长江生态环境工程研究中心北京100038 长江经济带生态环境国家工程研究中心北京100038 中国科学院大学北京100049 中国科学院生态环境研究中心环境模拟与污染控制国家重点联合实验室北京100085 北京城市排水集团有限责任公司北京100124 北京市污水资源化工程技术研究中心北京100124

曝气冲刷是浸没式MBR工艺不同于常规活性污泥法工艺的关键特征,然而现行规范的曝气系统设计与运行比较粗放,缺乏气泡尺寸模拟优化方法。以可直接观测的工程规模(500 m^(3)·d^(−1))膜生物反应器为研究对象,对穿孔管角度进行了优化研... 详细信息

曝气冲刷是浸没式MBR工艺不同于常规活性污泥法工艺的关键特征,然而现行规范的曝气系统设计与运行比较粗放,缺乏气泡尺寸模拟优化方法。以可直接观测的工程规模(500 m^(3)·d^(−1))膜生物反应器为研究对象,对穿孔管角度进行了优化研究,并用群体平衡模型(Population Balance Model,PBM)模型模拟污泥混合液不同粘度下的内部气泡分布情况。结果表明:穿孔管角度垂直向下、60°、45°、30°、垂直向上在膜面产生的平均剪切力分别为1.74、1.46、1.19、1.38、1.67 Pa,这表明曝气角度最优为垂直向下。0.3%、0.5%和0.8%浓度的羧甲基纤维素钠(Carboxymethyl cellulose,CMC)下产生的平均剪切力分别是1.51、1.92、2.24 Pa,气泡直径逐渐增大。且气泡尺寸越大、流速越大,分布越均匀。基于0.3%、0.5%CMC的速度实验结果与PBM模拟结果基本吻合。该研究结果可为MBR技术的工艺优化和系统控制方法提升提供参考。

关键词：膜生物反应器大气泡曝气曝气器几何特征种群平衡模型流变性

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高抗冲聚苯乙烯预聚过程多尺度模拟研究

高抗冲聚苯乙烯预聚过程多尺度模拟研究

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作者：岳喜硕浙江大学

学位级别：硕士

高抗冲聚苯乙烯(HIPS)是一种典型的橡胶增韧树脂材料。其不仅具有类苯乙烯树脂的刚性、优良加工性、良好的尺寸稳定性等优点,同时冲击性能显著提高。这是由于在苯乙烯接枝聚合反应的预聚过程中发生相反转(PI)现象,形成一种被称作“salam... 详细信息

高抗冲聚苯乙烯(HIPS)是一种典型的橡胶增韧树脂材料。其不仅具有类苯乙烯树脂的刚性、优良加工性、良好的尺寸稳定性等优点,同时冲击性能显著提高。这是由于在苯乙烯接枝聚合反应的预聚过程中发生相反转(PI)现象,形成一种被称作“salami”结构的复杂亚微观橡胶相粒子。如何对相反转的发生过程、以及橡胶相颗粒的形成和粒径分布进行精准的预测和控制是业界亟待解决的关键问题。本文基于多尺度的研究方法,首先采用耗散粒子动力学(DPD)模拟方法,从介观尺度探究了 HIPS不同反应阶段体系的相形态结构及相反转发生条件;采用计算流体力学(CFD)结合种群平衡模型(PBM),从介观和宏观尺度对搅拌反应器内相反转前后液滴粒径分布进行了预测;建立了非理想反应器内耦合聚合反应动力学的CFD模型,从微观和宏观尺度分析了反应器操作特性对聚合物产品性质的影响规律。本研究可为HIPS生产过程的设计、优化、过程强化提供指导。采用DPD方法对HIPS体系中聚苯乙烯(PS)/橡胶(PB)以及PB-g-PS二元体系平衡态进行了介观尺度聚集态结构的模拟,考察了两相体积比对相形态的影响规律及HIPS相反转的热力学判据。结果表明当聚苯乙烯相与橡胶相体积比达到70/30时,体系发生了相反转。接枝聚合物会增强两相之间的连接能力,使得相反转相比于无接枝体系更晚发生,且相反转后两相更稳定。对HIPS中橡胶相“salami”结构的形成过程进行了探究。分析了 PS/PB/St三元体系聚集态结构,结果表明苯乙烯单体(St)分布于两相之中,PB相中的St会继续聚合生成自由态PS依存于PB相之中。采用双圆筒模型反应器实验研究了 HIPS相反转过程,考察了均匀剪切速率和橡胶用量对于相反转以及PB相粒径分布的影响,得到了相反转相图。HIPS相反转的发生需要达到临界剪切速率(本文实验条件下为55s-1)与临界转化率(本文实验条件下为16.1%),为工业反应器提供设计与操作阈值。采用CFD耦合PBM的方法,对反应器内剪切速率分布以及相反转前PS相和相反转后PB相的粒径分布进行预测,考察了转化率与转速对分散相粒径分布的影响规律。采用遗传算法对Alopaeus破碎模型以及CT聚并模型参数进行优化,适用于HIPS体系相反转前的破碎频率模型参数Cb1为1×101,聚并速率模型参数Cc1为1×1017;相反转后的破碎频率模型参数Cb1为1×10-1,聚并速率模型参数Cc1为1×1017。随着反应进行聚并速率迅速增大而破碎频率逐渐减小。搅拌转速增加,破碎速率与聚并速率均增大,但破碎速率增加程度更为剧烈,分散相粒径减小。基于共聚矩模型和Flory分布理论,通过用户自定义函数(UDF)编程,建立了HIPS接枝共聚合反应动力学与CFD的耦合模型,揭示了非理想反应器对共聚过程和产品质量影响规律。考察了复杂流体物性变化对传递过程和反应过程的影响,预测了聚合物产品性质(转化率、接枝率、分子量及其分布等)。结果表明随着搅拌转速的增加,聚合物的接枝率与交联率逐渐减小并趋向于连续搅拌釜式反应器(CSTR)计算结果。转化率增加,均聚的聚苯乙烯的分子量先增加后逐渐保持不变,而共聚的聚苯乙烯分子量则先增加后减少,后者的分子量大于前者。

关键词：高抗冲聚苯乙烯耗散粒子动力学计算流体力学种群平衡模型聚合动力学

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液-液搅拌槽内液滴尺寸分布的CFD-PBM研究

液-液搅拌槽内液滴尺寸分布的CFD-PBM研究

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作者：谭观成浙江大学

学位级别：硕士

液滴尺寸分布(DSD)是关系到液-液分散产品功能和质量的重要指标之一,对其进行精准预测和控制一直是工业界中亟待解决的问题。对于搅拌槽内的液-液分散体系,现有的实验方法难以便捷和低成本测量局部流场和DSD并进行准确预测。计算流体力... 详细信息

液滴尺寸分布(DSD)是关系到液-液分散产品功能和质量的重要指标之一,对其进行精准预测和控制一直是工业界中亟待解决的问题。对于搅拌槽内的液-液分散体系,现有的实验方法难以便捷和低成本测量局部流场和DSD并进行准确预测。计算流体力学(CFD)能预测搅拌槽内流场随几何尺寸、桨叶设计和操作条件的变化,种群平衡模型(PBM)可以模拟液滴因聚并和破碎在空间和时间上的滴径分布,两者的结合已经应用于研究不同分散设备内的液-液分散体系。然而,通过CFD-PBM对液-液搅拌槽的研究仍不够深入和全面。不同桨叶形成的流场对DSD的影响机理仍待探明,现有模拟过程忽略了表面活性剂与液滴的相互作用,表面活性剂存在下液-液搅拌槽内DSD预测的准确度仍待提高。本文基于实验验证,采用三维CFD-PBM耦合的数值模拟方法,首先探究了在无表面活性剂条件下桨型、流场与液-液分散特性之间的作用关系;针对含表面活性剂的液-液分散体系,创新提出采用相间传质模型对CFD-PBM进行修正,分析了三种聚并模型的修正效果,深入研究了表面活性剂浓度和种类对DSD的影响机理;采用修正后的CFD-PBM耦合模型,探究了含表面活性剂体系分散相流变特性及相应形成的流场对DSD的复杂影响,为工业过程液-液搅拌槽内DSD的预测和控制提供依据。本文主要工作和结论概括如下:(1)采用CFD-PBM模拟了无表面活性剂条件下直叶圆盘涡轮桨(RT)、六抛物线式叶片圆盘涡轮桨(PB)、45°六斜叶桨(PBT)的流场特性、两相分散情况和DSD,并深入分析了流场和DSD的关系、湍流分布对液滴破碎的影响机制。通过用户自定义函数(UDF)进行编程,将CT聚并模型和Alopaeus破碎模型嵌入PBM中作为源项。粒子成像测速(PIV)和液滴测量实验分别验证了 CFD和PBM模拟的流场和DSD的可靠性。相比于轴向流桨PBT,径向流桨RT和PB排出的液体在桨叶区具有更高的流速和更强的湍流,促进了两相分散和提高了液滴破碎频率。对于径向流桨,湍流惯性机制是桨叶区内液滴破裂的主导机制;对于轴向流桨,湍流粘性机制对桨叶区的液滴破裂影响程度更高。PBT的DSD受分散相体积分数影响的敏感性低于RT和PB。(2)采用原始CT、Prince和Das聚并模型的CFD-PBM,对于无表面活性剂时液-液分散DSD,模拟结果接近实验值,但表面活性剂存在时,模拟结果不理想,并且随着表面活性剂浓度提高,模拟误差增大。分析了表面活性剂对液滴聚并的阻碍机理,建立了以相间传质模型为基础的聚并模型修正方案。通过UDF实现了相间传质模型对CFD-PBM的修正,基于实验测定的表面活性剂吸附参数和相间传质模型模拟的吸附密度,计算了聚并模型修正因子对CFD-PBM进行修正。针对CT、Prince和Das三种聚并模型,修正后的CFD-PBM均可以比较准确地模拟DSD,并且不同表面活性剂浓度下模拟结果均接近实验值。分散相体积分数提高时,修正因子降低,表面活性剂对液滴聚并阻碍作用加强。表面活性剂吸附液滴后产生的聚并排斥力是其影响DSD的主导作用,代表排斥力强弱的聚并修正因子与表面活性剂的平衡速率常数有关。(3)采用相间传质模型修正下的CFD-PBM模拟了搅拌槽内桨叶为PB时分散相不同流变特性下两相的流动和分散情况,深入分析表面活性剂和分散相流变特性对液滴行为的复杂作用机理,探究两者联合影响DSD的机制。分散相黏度增大,整体流动减弱,循环流收缩,两相分布不均,分散相向桨叶附近、搅拌轴附近、循环流中心处聚集。高黏度的分散相液滴难以破碎,液滴尺寸的分布变宽,液滴尺寸的控制困难。分散相剪切稀化特性增强,促进上循环流中整体的流动,全槽内两相分散更均匀,并显著提高液滴在桨叶区内的破碎频率,槽内不同区域的平均液滴直径减小且差异增大。表面活性剂浓度提高有利于消除高黏度分散相造成的两相混合不均匀问题,抑制了液滴的聚并,液滴尺寸减小、分布变窄。

关键词：液-液分散体系搅拌槽计算流体力学种群平衡模型流场液滴尺寸分布

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静态混合器的入口结构对液液分散的影响

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化学反应工程与工艺 2023年第2期39卷 97-107页

作者：刘权锋曹琦钱宇杨思宇华南理工大学化学与化工学院广东广州510640

静态混合器广泛应用于溶剂萃取,改造静态混合器的入口结构可以提升混合效果。为探究不同入口结构对液液分散的影响,以传统SK型静态混合器、非对流入口静态混合器、Roughton静态混合器、Y-静态混合器4种不同入口结构的静态混合器为研究对... 详细信息

静态混合器广泛应用于溶剂萃取,改造静态混合器的入口结构可以提升混合效果。为探究不同入口结构对液液分散的影响,以传统SK型静态混合器、非对流入口静态混合器、Roughton静态混合器、Y-静态混合器4种不同入口结构的静态混合器为研究对象,通过计算流体力学-种群平衡模型(CFD-PBM)数值模拟方法,考察了不同入口结构对静态混合器中液体流速、混合效果和Sauter平均直径(d32)的影响。模拟结果表明:不同入口结构的静态混合器具有显著差异的流体流动状态、混合效果和液液分散效果。混合效果和液液分散效果从好到差依次为Y-静态混合器、Roughton静态混合器、非对流入口静态混合器和传统SK型静态混合器。在混合元件区,4种入口类型的静态混合器的流速相同,但是混合元件发挥混合和分散的作用不同。Y-静态混合器和Roughton静态混合器作为液液分散设备,可以以较少的混合元件数实现高分散效果。

关键词：静态混合器计算流体力学种群平衡模型液液分散两相流

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基于流固耦合分析的大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果研究

基于流固耦合分析的大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果研究

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作者：高旭东吉林大学

学位级别：硕士

随着我国工业逐步向大型化、高效化发展,大型立式螺旋搅拌磨机的设计需求和使用需求逐步增加。本文结合校企合作项目“大型立式螺旋搅拌磨机仿真分析及优化设计”,对大型立式螺旋搅拌磨机的磨矿效果进行了研究。本文综述了大型立式螺旋... 详细信息

随着我国工业逐步向大型化、高效化发展,大型立式螺旋搅拌磨机的设计需求和使用需求逐步增加。本文结合校企合作项目“大型立式螺旋搅拌磨机仿真分析及优化设计”,对大型立式螺旋搅拌磨机的磨矿效果进行了研究。本文综述了大型立式螺旋搅拌磨机的研究背景、研究意义和发展现状,包括磨矿设备与搅拌磨机的发展现状,立式螺旋搅拌磨机结构组成和特点以及国内外研究现状。分析了立式螺旋搅拌磨机的粉磨机理和关键参数。粉磨机理包括工作原理、粉碎理论、研磨介质应力强度、粉碎能耗等。关键参数包括螺旋直径、升角和导程等结构参数以及搅拌速度、研磨介质属性等特征参数,并进行了功率的推导。利用流固耦合仿真分析法,构建了立式螺旋搅拌磨机的动力学仿真模型,形成了适用于大型立式螺旋搅拌磨机的动力学仿真方法,并与实际磨机数据进行对比验证了此方法的有效性。通过动力学仿真分析了磨机的粉磨过程及影响磨矿效果的因素。利用基于时间的种群平衡模型,构建了预测立式螺旋搅拌磨机产品粒径分布的数学模型,通过磨机的磨矿试验验证了模型的有效性并进行了常用进料下模型的参数拟合。同时通过试验结果分析了工艺参数对磨矿效果的影响。分析了大型立式螺旋搅拌磨机重要参数的设计过程,针对某型号大型立式螺旋搅拌磨机的初步设计方案,进行了动力学仿真和磨矿产品粒径分布预测。随后明确了磨机可变参数并进行了优化,通过优化后模型动力学仿真确保其处于良好的研磨工作状态,并进行优化后磨机的磨矿产品粒径分布预测,与优化前对比,磨矿效果大幅度提升。最终形成一套大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果的分析与优化方法,为大型立式螺旋搅拌磨机的设计提供了参考。

关键词：大型立式螺旋搅拌磨机流固耦合种群平衡模型磨矿效果磨机优化

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α-二亚胺镍催化剂催化乙烯聚合反应过程模型化

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化工进展 2019年第6期38卷 2796-2805页

作者：冯依田洲刘柏平华东理工大学化学工程联合国家重点实验室上海200237 华东理工大学化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室上海200237

后过渡金属催化剂用于合成超支化聚乙烯具有合成步骤少、性能优异等特点,支化度、支链种类及分布对超支化聚乙烯的性能有显著影响,但目前对该反应过程的动力学模型及支链分布模型研究尚少。本文建立了在α-二亚胺镍催化剂作用下,以乙烯... 详细信息

后过渡金属催化剂用于合成超支化聚乙烯具有合成步骤少、性能优异等特点,支化度、支链种类及分布对超支化聚乙烯的性能有显著影响,但目前对该反应过程的动力学模型及支链分布模型研究尚少。本文建立了在α-二亚胺镍催化剂作用下,以乙烯为唯一单体制备超支化聚乙烯的过程模型,通过动力学模型预测聚合反应速率,并与种群平衡模型结合,形成一个新的支链分布预测模型。与文献报道的模型相比,本文提出的模型结合了聚合反应动力学与支链分布模型,预测结果与实验结果更吻合,为调控后过渡金属催化剂催化乙烯聚合过程及产物结构提供了新手段。

关键词： α-二亚胺镍催化剂聚合动力学种群平衡模型支链分布

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