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    2021年 第21卷 第9期    刊出日期:2021-09-28
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    本期封面和目录
    过程工程学报. 2021, 21(9):  0. 
    摘要 ( )   PDF (1116KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    综述
    气体水合物生成过程强化方法研究现状
    赵奇 陈朝阳 夏志明 张郁 徐纯刚 李小森
    过程工程学报. 2021, 21(9):  993-1002.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220296
    摘要 ( )   PDF (1562KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    气体水合物因其特殊的物理化学特性,已被气体分离、二氧化碳捕集与封存、海水淡化、气体储运等诸多领域学者广泛研究。但气体水合物生成条件较为苛刻、生成速率及储气能力较商业化应用还有较大差距。本工作从气体水合物生成条件、生成速率、储气能力等角度,分别综述了机械强化、外场作用、添加剂等强化方法对气体水合物生成过程的强化原理、技术特征及其研究现状;综合比较分析了各种强化方法的优势及存在的问题;展望了各强化方法的未来发展方向及其适用领域;特别是针对气体水合物法海水淡化的技术特征和关键问题,提出以外电场强化气体水合物法海水淡化过程的新思路。
    铁矿石浮选调整剂的研究进展
    李明阳 陈泽 廉德 高翔鹏 龙红明 童雄
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1003-1011.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220275
    摘要 ( )   PDF (834KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    复杂难选铁矿石的合理开发与高效利用已经成为当今钢铁行业的焦点问题,浮选是铁矿石处理最有效的选矿方法之一,具有分选效率高、精矿品位高、回收率提升幅度大等特点,尤其是处理微细粒矿石的选别效果更明显。浮选药剂的合理选择和利用是提高浮选效果的重要方法之一。近年来,随着难选铁矿石占比持续增大,新型浮选药剂研究发展迅速。本工作综述了近年来铁矿石浮选调整剂的研究进展,重点介绍了絮凝剂、分散剂、活化剂、抑制剂的研究现状,讨论了调整剂在铁矿石浮选中的重要作用,总结了铁矿石浮选调整剂尚存的不足之处,并对铁矿石浮选药剂的研究方向进行了展望;针对复杂难选铁矿分选,尤其是含铁硅酸盐型铁矿浮选中所用常规浮选调整剂存在的选择性差、分选效率低等问题,探索研制选择性好、分选效率高、来源广、无毒、廉价的新型调整剂及其组合复配药剂将是未来铁矿石浮选调整剂的研究重点。
    流动与传递
    甲醇制烯烃流化床内流化特性的多尺度CFD模拟
    洪坤 曹曼倩 王文轩 高亚男
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1012-1022.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221187
    摘要 ( )   PDF (2353KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    近些年,我国成功开发了以煤为原料的甲醇制烯烃(Methanol to Olefins, MTO)生产工艺和技术,带动煤制烯烃产业的快速发展,保障了国家能源安全。流化床式反应器是MTO工业生产的核心反应装置,通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法深入认知MTO流化床内的流化特性规律具有重要的意义,它可以从理论上更加准确地指导MTO流化床的优化与放大。本工作采用基于宏观?亚网格层次的气泡EMMS曳力和传统TFM耦合计算的多尺度CFD方法,对工业尺度MTO流化床内的多相流化行为进行了三维数值模拟。模拟结果表明,该多尺度CFD方法考虑了气泡结构对气?固相间曳力的影响,能较准确地预测MTO流化床内轴向颗粒浓度的“S-型”分布规律,且得到实验数据的验证;所预测的径向颗粒浓度分布呈现出经典的“环?核”分布规律,气体/颗粒的轴向时均速度在径向上的分布也与实际情况相互佐证,表明该多尺度CFD方法显著改善了基于均匀曳力的传统TFM对于宏观流场的预测能力。下一步工作将多尺度CFD方法拓展应用于MTO流化床优化放大及反应特性的研究。
    管式固定床反应器柱状颗粒床层流体流动模拟与实验研究
    朱梓瑞 刘雪东 蒋良雄 顾宇彤 彭涛 殷俊杰 刘梅华 蒋威
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1022-1032.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220288
    摘要 ( )   PDF (4564KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    针对管式固定床反应器内管束数量多、规模大等特点,选取单个管束作为特征结构。对装填不同直径柱状颗粒的管束,采用程序坐标定位的方法,建立柱状颗粒床层的物理模型。采用DEM与CFD联合数值仿真方法,探究反应管内径与柱状颗粒的等比表面积球当量直径之比(管径比Di/dp)对柱状颗粒床层流体流动的影响,并建立单管固定床反应器试验台,采用差压测试方法进行实验研究。结果表明,当Di/dp由5.37增至12.75时,床层空隙率和流体分布均匀性均得到改善,壁面效应的影响由床层中心减弱到管壁。基于数值模拟及实验结果对Di/dp=12.75的柱状颗粒床层进行床层压降Ergun公式常系数修正,CFD模拟计算的结果与拟合公式吻合较好。研究结果能为固定床反应器压降预测提供参考。
    层流冷却传热系数对金属物料温度场的影响
    陈德敏 刘莹惠 陆彪 汤凯 王索军 陈光
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1033-1041.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220250
    摘要 ( )   PDF (1035KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    层流冷却的冷却强度决定着金属物料微观组织结构,从而影响产品的性能,而传热系数直接影响着冷却强度的大小。本工作提出了一种获得层流冷却传热系数的方法,通过工艺分析得到其分布形式为以喷头为中心由半波正弦和直线构成的分段函数,给出了通过结构参数、运行参数和实验数据获得函数特征参数的方法。以实验台验证了该方法的准确性,同时分析了特征参数变化对金属物料温度场的影响规律。结果表明,振幅增加1 W/(m2?K),金属物料表面温度相对下降量在最后一个区域达到最大值,为?0.36 m2?K2/W,断面温差最大相对变化量为0.07 m2?K2/W;周期减小1 s,金属物料表面温度相对增加量在最后一个区域达到最大值,为13.24 K/s,断面温差呈现周期性变化,变化范围为?2.5~0 K/s。
    多旋臂气液旋流分离器内气相流动特性分析
    左鹏 姚秀颖 卢春喜
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1042-1053.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220277
    摘要 ( )   PDF (2696KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    为考察费托合成过程中用于油气分离的新型多旋臂气液旋流分离器内气相流场分布特性,明晰离心分离效果,采用RSM湍流模型对分离器气相流场进行模拟研究,所得压降与实验数据吻合较好,表明该模型适用于模拟该分离器。根据结构特点和压力分布特性,将分离器划分为四个区:进料管区、旋臂区、环隙区和分离区。结果表明,气体流经旋臂时运动方向改变产生的阻力损失占总阻力损失的60%以上;经旋臂排出后气体分为三股,即沿封闭罩逆时针上行流和下行流,以及沿旋臂与进料管之间区域顺时针上行流;环隙区轴向高度1.472 m,周向位置45°, 135°, 225°, 315°附近形成轴向速度为零的横向旋涡,同时气体在环隙区内径向位置|r/R|=0.972处出现切、轴向速度的最大值,且运动角度均稳定维持在37.43°附近;分离区内上下行流界限清晰(位于|r/R|=0.854)且切向速度符合Rankine涡结构,拟合得到平均准自由涡旋涡指数n=0.697;旋臂附近区靠近外侧壁面处(|r/R|=0.893)和环隙区内|r/R|=0.972处的切向速度均对入口气速的变化较敏感。
    过程与工艺
    可膨胀石墨和碳纳米管对PMMA火蔓延特性的影响
    刘珂 张英 张威 吴淑娴 潘文砚
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1054-1063.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220259
    摘要 ( )   PDF (978KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    通过熔融共混法制备了9种PMMA复合阻燃材料,对其进行小尺寸的水平火蔓延实验研究,对比分析了可膨胀石墨(EG)和碳纳米管(Carbon Nanotube, CNTs)阻燃剂的加入对材料燃烧特性的影响,主要研究了火蔓延速度、火焰形态、固相温度、质量损失速率等火蔓延特性参数变化规律。结果表明,EG能产生阻燃效应,随EG含量增加,复合材料的火蔓延速度、质量损失速率、表面热流密度均有所减小;CNTs表现出拮抗和协同阻燃的复合效应。EG含量较低时,添加1% CNTs反而会使火蔓延速率加快;随着EG含量增加,拮抗作用逐渐消失,最后表现为协同阻燃,原因是CNTs的高热导率、“灯芯效应”促进表面燃烧作用和EG/CNTs体系阻燃性之间存在竞争关系;添加EG和CNTs前后,火蔓延过程中表现出明显不同的燃烧行为,未添加阻燃剂前PMMA会产生熔融滴落物积聚成池火,表现为明显的热塑性材料燃烧特征;加入EG和CNTs后则会形成碳层,表现为明显的可碳化材料燃烧特征。
    机械活化辅助浸出硫化镍矿中有价金属
    郑晓洪 吕伟光 曹宏斌 蔡楠 湛金 李青春 康飞 孙峙
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1064-1073.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220146
    摘要 ( )   PDF (3050KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    随着高镍三元锂电池在新能源电动汽车领域的规模化应用,全球镍资源的需求量日益增加,绿色、高效、低成本地从硫化镍矿资源中提取镍的技术备受关注。本工作提出了机械活化辅助氧化浸出硫化镍矿的提取路径,在机械活化过程中通过改变硫化镍矿结构、增加晶体无序化程度、减小粒度和增加比表面积增加硫化镍矿的反应活性,再通过Na2S2O8氧化浸出实现了常压环境中硫化镍矿中有价金属的高效浸出。考察了机械活化和浸出过程中各因素对硫化镍精矿浸出的影响,确定了较优条件。在较优条件球磨转速613 r/min、球料比20:1、球磨时间120 min、酸浓度2 mol/L、过硫酸钠浓度0.42 mol/L、浸出时间60 min、液固比5:1、搅拌速率400 r/min和浸出温度80℃下,Ni, Co, Cu和Fe的浸出率分别达98.9%, 97.7%, 98.2%和98.7%。
    材料工程
    UiO-66基催化剂的制备及其在CO甲烷化中的应用
    杨永 徐永 张光晋
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1074-1081.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220314
    摘要 ( )   PDF (2432KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    煤制天然气技术具有良好的经济和环境效益,其中CO甲烷化是煤制天然气过程的重要环节之一。本研究以UiO-66材料为载体制备了一系列具有不同Ni负载量的Ni/UiO-66催化剂,采用XRD, BET, TG, SEM, TEM, XPS等表征方法对载体和催化剂的物相结构、织构性质、热稳定性和元素分布情况进行考察,并对各催化剂上CO加氢性能进行了考察。研究结果表明,Ni金属高度分散于UiO-66载体上,且对金属有机骨架材料的物相结构和晶体形貌无显著影响。在CO甲烷化反应过程中,随Ni负载量逐渐增加,各Ni/UiO-66催化剂的起活温度逐渐降低;在相同反应温度(320℃)下,不同催化剂上Ni负载量由10%增加到30%,其CO转化率由10.7%提升到89.7%;当Ni含量为20%时,催化剂在反应过程中具有良好的稳定性。同时,Ni基催化剂上CO转化率远高于具有相同金属负载量的Fe基和Co基催化剂,表明Ni作为活性金属在合成气制甲烷反应过程中具有优异的催化性能。
    高导热苯乙烯丙烯酸树脂复合材料制备及导热性能
    贾富华 龚斌 汪前雨 朱多银 崔彦斌
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1082-1090.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220263
    摘要 ( )   PDF (11921KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    苯乙烯丙烯酸树脂为墨粉主要组分,其导热性能提升可显著提高墨粉导热性能,进而延长打印、复印机使用寿命。通过在苯乙烯丙烯酸树脂中添加碳纳米管、石墨烯高导热单一或复合填料,在苯乙烯丙烯酸树脂构建连通导热网络以提高其导热性能。当苯乙烯丙烯酸树脂中添加0.75wt%多壁碳纳米管时,其导热系数可提高至0.1644 W/(m?K),增幅为31.31%;添加1.0wt%羧基改性多壁碳纳米管时,苯乙烯丙烯酸树脂导热系数可提高至0.1751 W/(m?K),增幅为39.86%;在苯乙烯丙烯酸树脂添加多壁羧基改性碳纳米管和石墨烯混合填料时,苯乙烯丙烯酸树脂导热系数可提升至0.2093 W/(m?K),增幅达到67.17%。表明碳纳米管和石墨烯混合填料可在苯乙烯丙烯酸树脂中形成有效的导热网络,从而显著提高苯乙烯丙烯酸树脂导热性能。
    水系镁离子电池正极材料MgMn2O4的制备
    李万全 张豆豆 邓书晴 袁梦婷 苌云兰 钱兵 孙雅馨
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1091-1098.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220218
    摘要 ( )   PDF (1936KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    采用溶胶-凝胶法制备得到了主相为四方结构的MgMn2O4。研究了煅烧温度对产物的相演化和表面形貌的影响,比较了电化学循环稳定性。结果表明,550℃烧结得到了表面呈现多孔通道和孔洞的MgMn2O4 (MMO550),在40 mA/g电流密度下,最大放电比容量为54.0 mAh/g; 与碳纳米管于400℃复合2 h后,CNT形成的导电网格有效地将MgMn2O4颗粒连接起来,得到MMO/CNT样品的首次放电比容量可达118.0 mAh/g,是未复合MMO550最大放电比容量的2.2倍,循环30周后容量保持在88.1 mAh/g。
    环境与能源
    NO2和SO3氧化聚苯硫醚的密度泛函理论计算
    李子航 刁永发 张俪安 周发山 陆遥
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1099-1107.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220285
    摘要 ( )   PDF (1625KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    通过密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)中的B3LYP-D3/6-31G(d,p)方法研究二氧化氮(NO2)、三氧化硫(SO3)氧化聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide, PPS)生成亚砜与砜结构的过渡态,并使用内禀反应坐标(Intrinsic Reaction Coordinate, IRC)确认其连接的反应物和产物,考察了PPS被氧化的反应路径,指出反应中分子几何结构与原子电荷的改变,揭示了NO2, SO3 氧化PPS滤料的微观机理。在此基础上,进一步计算不同温度下PPS氧化过程中的自由能垒,通过反应速率常数与半衰期定量比较NO2, SO3氧化PPS的能力。结果表明,在180~220℃范围内,SO3氧化PPS生成亚砜的反应速率常数是NO2的107倍;SO3氧化亚砜结构生成砜结构的反应速率常数是NO2的104倍,即SO3对于PPS分子链上S原子的氧化能力远强于NO2;在实际环境中NO2除了直接氧化PPS外,还可能存在能垒更低的反应路径。
    含水率及温度对中药渣热解特性影响
    陈冠益 邱旭辉 郭倩倩 李健 刘彬 旦增 颜蓓蓓 董磊 张兆玲
    过程工程学报. 2021, 21(9):  1108-1116.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220193
    摘要 ( )   PDF (3173KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    中药渣类高含水工业生物质废弃物能源化清洁处理技术开发尤为重要。本工作以中药渣为研究对象,结合热重表征手段,利用固定床对其进行热解特性研究。研究不同原料含水率、热解温度及热解速率下的热解产物产率分布及其成分和特性,及氮元素在气、液、固三相产物中分布规律。结果表明,该中药渣完全热解的温度范围为650~850℃。在此温度范围中升高温度有利于热解过程,提升了热解效率及可燃气品质,可燃气、半焦中的氮元素含量下降,热解油中的含量上升。降低含水率能够提高热解效率,热解油中含氮化合物含量增加,促使氮元素向液相迁移。中药渣烘干的过程中减少了碱金属含量,影响热解油组分。提高热解速率也能一定程度上影响热解产物组分及氮元素分布。本研究可为中药渣热解过程优化及含氮化合物排放控制提供理论基础。