近日，中南大学田庆华、许志鹏教授团队在国际知名期刊《Separation and Purification Technology》发表题为《Macro-micro mass transfer mechanisms in tellurium horizontal vacuum distillation (HVD): Multiphysics simulation and experimental validation》论文，系统介绍了研究院在高纯金属领域的最新研究成果。

标准引用格式：

Qiao S, Tian Q H, Qiao J X, Xu Z P*. Macro-micro mass transfer mechanisms in tellurium horizontal vacuum distillation: Multiphysics simulation and experimental validation [J]. Separation and Purification Technology, 2026. DOI:10.1016/j.seppur.2026.138833

通讯作者：许志鹏，中南大学教授

第一作者：乔爽，中南大学博士研究生

乔爽a, 田庆华a,b,c, 乔晋玺a,b,c, 许志鹏a,b,c,*（* 为通讯作者）；

a School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China

b National and Regional Joint Engineering Research Center of Nonferrous Metal Resource Recycling, Changsha 410083, China

c Key Laboratory of Nonferrous Metal Resources Recycling in Hunan Province, Changsha 410083, China

发表信息：

Separation and Purification Technology (IF=9.1, JCR Q1)），2026，404：138833

10.1016/j.seppur.2026.138833

联系邮箱：

zhipengxu@csu.edu.cn（许志鹏）

碲（Te）作为关键战略稀散金属，在碲化镉薄膜太阳能电池、红外探测器、热电转换器件及新型相变存储器等前沿高技术领域具有广泛应用。在上述高端应用中，碲的纯度直接决定了器件的工作效率与使用寿命，痕量杂质元素往往会形成电子-空穴复合中心，显著降低少数载流子寿命，严重劣化材料的半导体特性。因此，开发高效绿色的提纯技术以满足现代先进光电材料对高纯碲（5N，即99.999%及以上纯度）的严苛要求，具有重要的战略意义。

真空蒸馏技术利用真空条件下各组分饱和蒸气压的差异实现物理分离，具有流程短、金属直收率高、废气废水“零排放”等显著优势，被公认为极具前景的绿色分离提纯技术。近年来，研究者相继开发了气相分离-粘滞蒸馏、双温区可控冷凝及本课题组提出的水平真空蒸馏（HVD）等创新工艺，有效推动了4N乃至5N级高纯碲的清洁生产。HVD将物料水平置于蒸发侧，在轴向温度梯度驱动下，挥发组分水平迁移至对侧冷凝区定向富集，建立了明确的定向传质通道。

然而，现有宏观动力学分析主要基于理想化静态几何假设，对气液界面附近蒸气传输的空间信息描述有限；在固定质量HVD中，蒸发过程中液面持续下降导致有效气液界面面积随时间变化，传统静态界面假设存在系统性偏差。因此，亟需发展能够反映动态界面演化的传质模型，以准确揭示碲蒸发过程的界面传质机理。

1. 建立动态界面多物理场耦合模型：将变形几何与HKL蒸发通量、自由分子流耦合，实现液面下降时界面面积实时更新。525 ℃下仿真与实验残渣偏差仅4.2%，克服静态假设的系统性偏差。

2. 揭示“累积-反弹”微观调控机制：发现保温过程中入射通量持续下降而净发射通量反向增长，阐明气相分子返回对净蒸发速率的抑制与调控机理，揭示真空抽吸与冷凝捕集优化界面传质的本质。

3. 构建蒸发系数与速率温度依赖模型：建立α(T)与ω(T)经验模型，515 ℃验证准确率达93.6%，残余质量预测准确率超90%，为工程工艺设计提供快速估算工具。

图1 水平真空蒸馏实验装置与几何模型示意图

图1为水平真空蒸馏实验装置与几何模型示意图。其中（A）为蒸馏石墨舟的几何尺寸（内腔半径1.5 cm，有效长度28.5 cm），（B）为仿真计算域，（C-G）为不同蒸馏温度下200 g碲料在几何域内的初始质量分布位置。研究基于质量守恒和空间几何对200 g碲熔体的初始蒸发边界进行了重构，使得初始液面高度和蒸发面积与实际固定质量装料条件一致，为后续变形几何计算提供了真实的起始条件。

图2 525℃下不同保温时间碲残渣质量的仿真与实验对比

图2为525℃下不同保温时间碲残渣质量的仿真与实验对比。在360 s、720 s和1080 s时，实验残渣质量分别为91.49 g、68.37 g和39.19 g，对应仿真值为91.095 g、62.649 g和40.848 g。两者在主蒸发阶段整体下降趋势基本一致，验证了动态界面模型的有效性。

图3 蒸馏温度525 ℃下分子通量的相界面空间分布特征

图4 蒸馏温度525 ℃下数密度的相界面空间分布特征

图5 蒸馏温度525 ℃下压力的相界面空间分布特征

图3-图5分别为525°C蒸馏温度下相界面处分子通量、数密度和压力的空间分布特征。结果表明：总入射分子通量、入射数密度和入射压力随保温时间持续下降，而净发射分子通量从10¹⁶数量级迅速增长至10²²数量级，呈现反向演化规律。这说明真空抽吸和冷凝区捕集持续移除界面附近的气相分子，减弱了分子返回效应，促使界面逐渐向更有利于净蒸发的方向演化。

图6 相界面分子演变: (A) 总入射分子通量, (B) 净发射分子通量, (C) 总数密度, (D) 总入射数密度, (E) 总压, (F) 入射压力

图6为不同蒸馏温度下界面分子的演化规律。在450-500°C中低温范围内，各界面参数维持在较低水平且随时间变化极为平缓；当温度升至525°C特别是550°C时，总压力、总数密度和总入射分子通量均呈数量级增长。这一温度响应表明：温度主要增强界面相变脱附的热力学驱动力，而保温时间主要通过真空抽吸持续削弱气相分子返回效应。

图7 (A) 蒸发速率与蒸馏温度的函数关系, (B) 蒸发系数与蒸馏温度的函数关系

图7为蒸发速率和蒸发系数的温度依赖拟合结果。蒸发速率随蒸馏温度升高呈显著指数增长（ω = 6.23×10^-18×e^0.0432T，R²=0.9995）；蒸发系数呈现非线性二次多项式增长（α=2.67×10^-6T²-3.83×10^-3T+1.42，R²=0.9789）。这两个经验模型为HVD条件下蒸发行为的定量估算提供了实用工具。

图8-图9为宏观反应动力学分析结果。图8显示，在450-550°C温度范围内，ln(m_start /m_t)与动态几何时间因子(S_t/V_t)·t呈良好的线性关系，决定系数均高于0.99，证实碲的宏观蒸发行为可用一级反应动力学模型合理描述。图9的Arrhenius拟合结果显示lnk与10⁴/T呈优异线性关系（R²=0.9841），据此计算得到碲HVD的表观活化能为186.61 kJ/mol。该值反映了质量损耗过程对温度的整体敏感性，结合高真空自由分子流、界面分子场演化及模型-实验一致性，综合表明界面相变脱附是主控传质阻力。

本研究针对碲水平真空蒸馏（HVD）提纯过程中的传质瓶颈，建立了集成固定质量梯度蒸发实验与热传递、变形几何及自由分子流多物理场耦合仿真的研究框架，揭示了碲蒸发脱附机理及动态几何约束规律，主要结论如下：

（1）碲在HVD条件下的真空等温蒸发过程在宏观层面遵循一级反应动力学，表观活化能为186.61 kJ/mol。该活化能应被理解为碲蒸发过程整体温度敏感性的指标，而非判定速率控制步骤的独立判据。结合高真空自由分子流、界面分子场演化及模型-实验对比，综合证据表明界面相变脱附是当前HVD条件下更可能的主控传质阻力，但气相分子返回仍对界面附近的局部净蒸发速率具有调控作用。

（2）通过引入变形几何模块追踪液态碲界面的时间依赖演化，有效降低了传统静态模型在气液界面面积演化方面固有的系统性偏差。在验证的时间范围和测试温度条件下，数值仿真的残渣质量趋势与实验测量总体吻合，预测精度大多超过90%。动态界面处理为评估蒸馏温度、保温时间和装料量条件的影响提供了机理基础。

（3）仿真揭示了碲蒸发的微观分子调控机制：局部密集气相分子的“累积-反弹”效应是抑制净蒸发的重要微观因素，而真空系统的持续抽吸有效降低了“再冷凝”阻力，促使界面朝向更有利的净蒸发方向演化。基于此建立了蒸发速率和蒸发系数的温度依赖经验模型，在515°C蒸馏温度下理论预测速率与模型计算蒸发速率的吻合度达93.6%。本研究为高纯碲HVD提纯过程的工艺优化提供了理论依据与数值工具，后续研究可进一步拓展至任何挥发性金属、不同蒸馏形式及工业化放大等方向。

（一审：乔爽； 二审：秦雯琦； 三审：许志鹏）