论文标题：Computational Fluid Dynamics and Population Balance Model Enhances the Smart Manufacturing and Performance Optimization of an Innovative Precipitation Reactor

论文链接：https://www.mdpi.com/2227-9717/13/6/1721

期刊名： Processes

期刊主页：www.mdpi.com/journal/processes

一、研究概述

随着镁被列入关键原材料清单，从废卤水或苦卤中回收镁的研究日益受到关注。在众多回收技术中，沉淀法合成氢氧化镁是一条重要途径。然而，该过程涉及从分子尺度到宏观尺度的复杂物理化学现象，且高度依赖于流体混合效率。为深入理解并优化这一过程，来自都灵理工大学的Marchisio 教授团队及巴勒莫大学的研究人员合作在Processes期刊发表文章，提出了一种计算流体力学（CFD）与群体平衡模型（PBM）相耦合的数值模拟框架，系统评估了反应物浓度与喷嘴布置对沉淀动力学的影响，为新型沉淀反应器的设计和智能制造成效提升提供了关键理论依据。

二、研究过程与结果

研究团队基于ResourSEAs公司开发的中试规模反应器，构建了多进料塞流式沉淀反应器的精细化计算模型。该研究主要围绕两个核心维度展开：一是反应物浓度对体系过饱和度及颗粒形成的影响；二是喷嘴取向与位置对流体混合特性及沉淀过程的影响。

反应物浓度的影响：

作者研究了不同浓度的Mg2+和OH-对系统过饱和度的影响。结果表明，在同等湍流条件下，将反应物浓度增加到一定程度反而会减缓混合速度，从而阻碍过饱和状态的形成。这意味着，尽管消耗了更多反应物，但过饱和度分布与低浓度情况几乎无异。这一发现揭示了增加浓度并不能总是提高沉淀效率。

喷嘴的朝向和位置的影响：

在喷嘴布局优化方面，在喷嘴位置与取向的研究中，模拟显示喷嘴的放置对初级颗粒的形成具有决定性影响。当喷嘴定位在低流速区时，混合速度较慢，有利于颗粒的长大而非聚集，从而获得较大的颗粒；相反，当喷嘴定位在高流速区时，会促进更快的混合和更剧烈的颗粒聚集。通过分析湍流耗散率对成核、生长和聚集过程的控制作用，作者提出了针对特定制造目标的喷嘴定位策略。

三、研究总结

本研究成功构建并验证了一套高效的 CFD-PBM 耦合数值模型，量化了微观混合对氢氧化镁沉淀过程的决定性限制作用，揭示了反应物浓度和喷嘴布局影响颗粒尺寸与分布的内在机理。研究指出，单纯提高反应物浓度可能因混合受限而无法有效提升沉淀速率，而基于局部湍流耗散率的喷嘴位置优化则能显著提高沉淀效率。采用大涡模拟校准的雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）湍流模型，在保证精度的同时大幅降低了计算成本。这些发现为多相湍流系统中沉淀反应器的智能设计与性能优化提供了明确、可操作的指导，对推动化工过程智能制造具有重要意义。

图1不同喷嘴朝向时进料区域的速度场和??0的空间分布图

Raponi, A.; Fida, D.; Vicari, F.; Cipollina, A.; Marchisio, D. Computational Fluid Dynamics and Population Balance Model Enhances the Smart Manufacturing and Performance Optimization of an Innovative Precipitation Reactor. Processes 2025, 13, 1721.

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Giancarlo Cravotto, University of Turin, Italy

Processes 专注于过程工程和系统工程领域，内容涵盖化学，生物，材料，环境，能源，食品，制造，自动化控制等相关过程工程方向。目前已被Scopus，SCIE(Web of Science),Ei Compendex,Inspec等数据库收录。

2025 Impact Factor：3.4

2025 CiteScore：5.7

Time to First Decision：14.7 Days

Acceptance to Publication：2.8 Days