欢迎访问过程工程学报, 今天是

当期目录

    2020年 第20卷 第5期    刊出日期:2020-05-22
    目录
    本期封面和目录
    过程工程学报. 2020, 20(5):  0. 
    摘要 ( )   PDF (747KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    综述
    化学链燃烧中载氧体磨损和产生积碳的机制及抑制方法
    胡颖 尹雪峰 常和 冯雪岩 王泽佳 郝雪晖 郭志娟
    过程工程学报. 2020, 20(5):  493-502.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219188
    摘要 ( )   PDF (579KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    磨损和积碳的产生都严重干扰化学链燃烧(CLC)的正常运行,磨损可造成载氧体的损耗,积碳可导致载氧体与燃料不能充分接触。载氧体的循环燃烧效率与CLC技术成本密切相关,是其进入商业化的关键。本工作针对载氧体的磨损和积碳抑制这两大主要问题进行了分析总结。阐述了CLC过程发生的详细反应及形成炭黑型积碳前驱物多环芳烃机制,总结了应对的可行方法,其中联合水蒸气和CO2喷射具有很好的前景。并在此基础上讨论了该领域的潜在研究需求。
    废旧锂离子电池正极材料除铝技术研究进展
    张贺杰 陈兴 邹兴 刘文科 郑诗礼 张懿 李平
    过程工程学报. 2020, 20(5):  503-509.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219260
    摘要 ( )   PDF (690KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    近年来,随着锂离子电池的快速发展,相应的废旧锂离子电池回收和再循环过程受到了越来越多的关注。铝作为废旧锂离子电池正极材料的主要杂质之一,吸引了学者们的广泛讨论和深入研究。现阶段工业上主要采用中和法除铝,通过向酸性浸出液中加入CaO等碱性物质生成Al(OH)3脱除,但存在渣量大、过滤难、易造成镍、钴等有价金属损失等问题。针对上述问题,学者们在预处理除铝、中和除铝和萃取除铝等方法上开展了广泛的研究。本工作通过分析调研国内外相关文献,详细评述了现有的废旧锂离子电池正极材料除铝方法,简要介绍了各方法的原理和优缺点,并展望了除铝方法技术的发展方向。
    流动与传递
    开口扭曲片圆管强化传热与流动阻力特性模拟
    王娟 何星晨 李军 万加亿 邹槊 徐皓晗
    过程工程学报. 2020, 20(5):  510-520.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219242
    摘要 ( )   PDF (4016KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    在乙烯裂解管式加热炉的工业应用中,通过在炉管内加入扭曲片内构件,将管内流动由平推流转为旋转流,增大了切向速度的同时加强了流体对管壁的冲刷作用,达到强化传热的目的。在第二代扭曲片的基础上进行结构改进,采用RNG k??湍流模型模拟炉管内部的流动,对比分析了不同扭曲片结构管道内的纵向涡结构、阻力系数、努塞尔数、综合传热系数及速度矢量场与温度梯度场耦合协同情况。结果表明,沿管壁呈“狭缝”状开口的扭曲片结构增大了管内流动的旋流强度,降低了阻力损失;开口长度7 mm、宽度2 mm、间隔2 mm的扭曲片结构局部阻力系数是第一代的93.75%,比第二代增加了8.67%,但综合传热系数比第二代提高了1.56%,是光管的1.29倍,该结构提高了纵向涡的稳定性,强化了管道核心流体与管壁的动量、热量交换;而沿管道中心开口的扭曲片结构增大了局部阻力系数,造成局部损失增加。
    高湿黏性颗粒在聚四氟乙烯微孔膜滤料表面沉积特性的数值模拟
    薛沚怡 钱付平 朱景晶 董伟 韩云龙 鲁进利
    过程工程学报. 2020, 20(5):  521-530.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219256
    摘要 ( )   PDF (2684KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    基于聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜滤料扫描电镜(SEM)图像,建立PTFE微孔膜滤料微观结构模型,采用计算流体力学和离散单元法(CFD?DEM)耦合的方法对黏性颗粒在微孔膜滤料表面沉积特性进行模拟,引入液桥力模型,忽略范德华力的作用,统计计算域内颗粒的受力情况,分析了不同表面能条件下3~6 ?m粒径颗粒在微孔膜滤料表面的沉积特性,将模拟结果与黏附效率的经验公式进行对比。结果表明,黏附效率与经验值、颗粒受力与液桥力模型的相对误差均在6%以内,CFD?DEM耦合计算方法可用于模拟不同环境湿度条件下的颗粒沉积;过滤风速、粒径与黏性是影响沉积形态的重要因素,提高过滤风速及增大颗粒粒径与黏性,颗粒更易在滤料表面形成稳定的树突结构,黏附效率及含尘压降增加。环境相对湿度影响两物体间液桥体积,接触力影响颗粒沉积,当增加表面能与液桥体积时,接触力及液桥力均相应增加,根据受力平衡原理,环境相对湿度对颗粒沉积影响很大。
    热风循环隧道烘箱的流场模拟及结构优化
    王志奇 邹玉洁 刘柏希 张振康
    过程工程学报. 2020, 20(5):  531-539.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219277
    摘要 ( )   PDF (2264KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    采用CFD数值模拟方法研究热风循环隧道烘箱的内部温度及流场分布,提出了6种结构优化方案,考察了不同方案下的气流分布特性。结果表明,烘箱出口面局部温差在1 K以内,温度分布较均匀;气流速度分布是影响烘干品质的主要因素,原始结构下出口气流分布极不均匀,出口面角落位置出现局部高速区,最大速度达3.48 m/s,平均速度为0.94 m/s,相对均方根值为0.73;相比原始结构,6种改进方案中,弯头三隔板结构出口面的相对均方根值最低,最大速度降低51.4%,最佳风速区域占比提升至75.17%,整流效果最明显;弯头内设置三块隔板后,风罩内再设置隔板对气流均匀性的改进作用不大。
    反应与分离
    粉煤灰中重金属元素砷的赋存状态与分离方法
    刘福立 马淑花 任坤 王晓辉
    过程工程学报. 2020, 20(5):  540-547.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219275
    摘要 ( )   PDF (933KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    粉煤灰中重金属元素在环境中的迁移转化和累积效应是粉煤灰综合利用过程中面临的壁垒问题,明晰粉煤灰中重金属元素的赋存状态并探索一种高效脱除方法是解决粉煤灰大宗利用的关键。利用改进的BCR连续提取法发现,粉煤灰中重金属元素砷的水溶态和酸可溶态占比较高,证明重金属砷容易在环境中迁移,从而影响周边环境。基于粉煤灰中重金属砷的赋存状态特征,建立了硫酸一步脱除重金属元素砷的新方法,考察了硫酸浓度、反应温度和反应时间对重金属砷脱除率的影响。结果表明,砷的脱除率随硫酸浓度增大而增大,随反应温度升高而降低,随反应时间增加而增大。综合考虑重金属砷的脱除率、粉煤灰中常量元素的损失率和球形颗粒的破坏程度,确定硫酸一步法脱除粉煤灰中重金属砷的最佳条件为硫酸溶液物质的量浓度2.0 mol/L、反应温度20℃、反应时间60 min,此时重金属砷的脱除率达75.21%。
    过程与工艺
    电渣重熔过程增镁及其对夹杂物的影响
    高岗 施晓芳 朱雄明 常凯华 常立忠
    过程工程学报. 2020, 20(5):  548-556.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219276
    摘要 ( )   PDF (679KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    通过设计含镁渣系,并在电渣重熔过程添加脱氧剂,氩气保护气氛下进行电渣重熔实验,研究了电渣重熔过程增镁的可能性。用电感耦合等离子体原子发射光谱分析了钢中的镁含量,用ASPEX扫描电镜分析了电渣锭中镁含量对夹杂物尺寸、类型、形貌等的影响。结果表明,渣中含20wt% MgO以上时,即使自耗电极中不含镁,也能使渣中MgO向钢液中传递镁。实验室条件下,分别用55wt% CaF2–15wt% Al2O3–10wt% CaO–20wt% MgO, 65wt% CaF2–10wt% Al2O3–25wt% MgO, 51wt% CaF2–8wt% Al2O3–8wt% CaO–23wt% MgO–10wt% MgF2渣系重熔时,电渣锭中镁含量分别为0.0034wt%, 0.0039wt%, 0.0043wt%。随电渣锭中镁含量增加,夹杂物组成逐渐从以Al–Ca, Al–Mn–S, Al–Mg–Mn–S为主,转变为以含镁夹杂物为主,镁含量最高达98wt%;夹杂物数量大幅减少,直径明显减小,最大直径均小于10 μm,大多数小于5 μm。与含镁0.0003wt%的电渣锭相比,镁含量增至0.0034wt%时,夹杂物从357个降至31个,最大夹杂物直径由11.0 μm降至8.5 μm,平均直径由3.7 μm降至3.2 μm。
    提升管内颗粒浓度梯度力的特性
    赵亚飞 范怡平 吕涵 赵洋
    过程工程学报. 2020, 20(5):  557-568.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219245
    摘要 ( )   PDF (943KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    由于Kutta-Joukowski横向力与浓度梯度力的共同作用,提升管内颗粒沿径向在边壁大量聚集并形成稳定的环?核结构。根据实验数据,分析了颗粒浓度梯度的径向分布特征,考察了不同操作条件下浓度梯度力系数K的分布特性。由Kutta-Joukowski横向力与浓度梯度的关系,提出了浓度梯度力的表达式Fρ=K(dρ/dr)A及浓度梯度力系数K的表达式K=[?ρg(νg?νp)(?v/?r)r]/?dρ/dr+(d2ρ/dr2)r?。提升管内颗粒群受到的浓度梯度力与浓度梯度力系数K有关。浓度梯度力系数K在提升管中心处为0,沿提升管径向呈“N”型分布,随表观气速增加而增加;提升管内充分发展段K的数值明显大于提升管加速区和出口约束区,总结了浓度梯度力系数K的经验关联式。
    TiO2(100)表面C和Cl2吸附反应的第一性原理计算
    杨帆 温良英 赵岩 徐健 张生富 杨仲卿
    过程工程学报. 2020, 20(5):  569-575.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219262
    摘要 ( )   PDF (1772KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    基于密度泛函理论的第一性原理从头算方法,建立金红石TiO2(100)表面吸附模型,计算了吸附能、电荷密度、态密度等参数,研究了加C促进TiO2氯化反应过程的行为机制。结果表明,Cl2单独在TiO2(100)表面吸附的过程为物理吸附,C和Cl2同时在TiO2(100)表面吸附的过程为化学吸附,加入C原子会促进Cl2解离及C?Cl键或Ti(5c)?Cl键的形成,含有C?O(2c)键的体系的稳定性高于含C?O(3c)的体系。C原子能够与O(2c)或O(3c)成键,削弱了Ti(5c)?O(2c)键的强度,使解离后的Cl原子更倾向于与TiO2(100)表面Ti(5c)成键或C原子成键,体系内Ti(5c)?Cl键的数量对体系的稳定性有一定影响。当体系存在一个解离后的Cl原子游离在真空层中,另一个Cl原子与C原子成键,体系的吸附能最高,为?5.25 eV,稳定性最低;当两个Cl原子分别与Ti(5c)和C形成Ti(5c)?Cl键和C?Cl键时,体系的吸附能为?6.75 eV;当两个Cl原子与表面Ti(5c)均形成Ti(5c)?Cl键时,体系的吸附能最低,为?7.78 eV,结构最稳定,此时该结构体系中C和O(2c)成键作用最强,更多的电子转移到Cl原子周围。表明加入C可削弱Ti?O键合结构,同时形成C?O(2c)双键,促使Cl2解离并在TiO2(100)表面吸附反应,对促进TiO2氯化反应进程发挥重要作用。
    有机单体空间构型对共轭微孔聚合物催化性能的影响
    王晨 毛会玲 程琥 杜嬛 连小兵 庄金亮
    过程工程学报. 2020, 20(5):  576-582.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219264
    摘要 ( )   PDF (857KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    以TEMPO自由基功能化2,5-二溴-N-(2,2,6,6-四甲基哌啶)苯甲酰胺为有机单体,与平面三角构型(D3h对称性)的1,3,5-三乙炔苯和四面体构型(Td对称性)的四(4-乙炔基苯)甲烷分别通过Sonogashira-Hagihara偶联反应获得CMP-3-TEMPO和CMP-4-TEMPO。扫描电子显微镜照片(SEM)显示两种TEMPO功能化CMPs形貌上有显著差异,CMP-3-TEMPO为不规则的棒状和块状微米聚合物,CMP-4-TEMPO为尺寸较均一的微米球聚合物。固态电子顺磁共振谱(EPR)证明了CMP-3-TEMPO和CMP-4-TEMPO均含有TEMPO自由基。两种CMPs催化剂均可将5-羟甲基糠醛(5-HMF)选择性催化氧化成2,5-二甲酰基呋喃(2,5-DFF),但在催化效率和循环利用率方面存在显著差异。有机配体的空间立体构型对CMPs的形貌和催化性能有重要影响,选择具有空间立体构型的有机单体,所合成的CMP-4-TEMPO具有更稳定的结构,催化循环性能更优异。
    纳米荧光粉YPO4:2%Sm3+水热工艺条件的优化及荧光性能
    吴锦绣 贾恒俊 贾慧灵 李梅 柳召刚 郭京
    过程工程学报. 2020, 20(5):  583-590.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219267
    摘要 ( )   PDF (1137KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    以荧光强度为指标,采用L9(34)正交实验优化纳米荧光粉YPO4:2%Sm3+的水热工艺条件(反应温度、反应时间、溶液的阴/阳离子比和pH值)。用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜及能谱(SEM and EDS)、荧光分光光度计(FL)、红外光谱仪(FT-IR)和紫外光谱仪(UV)等仪器对样品的组成、结构、形貌及其发光性能进行了表征和分析。结果表明,影响纳米荧光粉YPO4:2%Sm3+水热工艺条件的主次因素为反应温度>pH值>反应时间>阴/阳离子比。最佳的水热工艺条件为反应温度为200℃、pH=3、反应时间为12 h、阴/阳离子比3:1。最佳纳米荧光粉的结构为单一的四方晶体结构,形貌为纳米球,荧光强度最大,荧光寿命为0.1719 ms,禁带宽度为5.14 eV,色坐标为X=0.5563, Y=0.4339。
    生化工程
    改性琼脂糖微球固定化甘油脱氢酶的研究
    张敏 韩林 胡月月 李健 闫 冰
    过程工程学报. 2020, 20(5):  591-598.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219263
    摘要 ( )   PDF (1360KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    通过膜乳化法制备琼脂糖微球,利用环氧氯丙烷活化琼脂糖微球,并与聚乙烯亚胺(PEI)反应引入氨基,得到胺化琼脂糖微球。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)等手段对微球的形貌和结构进行表征。通过戊二醛(GA)共价固定甘油脱氢酶(GlyDH),并催化甘油生成1,3-二羟基丙酮(DHA)。结果表明,膜乳化过程可改善载体的球形度,PEI分子量对接枝微球的N元素含量有显著影响。固定化酶的储存稳定性和循环使用性均高于游离酶。
    材料工程
    铁硼基海绵催化电极的制备及其高效析氢性能
    徐秋雨 王晨峰 王临才 张承龙 郝伟举
    过程工程学报. 2020, 20(5):  599-608.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219250
    摘要 ( )   PDF (3460KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    采用温和化学镀法在非导电基底材料聚氨酯海绵(PU)上成功制备了NiB@Fe–B/PU催化电极,并通过掺杂少量第三种元素,如钴、钼等金属元素制备了NiB@Fe–Co–B/PU和NiB@Fe–Mo–B/PU催化电极。结果表明,掺杂钴、钼可明显提升NiB@Fe–B/PU催化电极的析氢性能,其中掺杂钴的性能更优。在0.5 mol/L缓冲液(磷酸缓冲盐溶液,PBS)中,NiB@Fe–Co–B/PU电极的析氢反应(HER)过电位仅为161 mV(电流密度, j=50 mA/cm2),塔菲尔斜率为68.24 mV/dec,且在过电位为61 mV下能够稳定工作24 h以上,电化学稳定性良好。
    过程系统集成与化工安全
    水氯镁石制备金属镁的过程集成与能量分析
    万兆源 周桓
    过程工程学报. 2020, 20(5):  609-618.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219259
    摘要 ( )   PDF (628KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    以无水氯化镁和氧化镁作为中间产物,电解和热还原为两个关键方法,集成各种相关过程,构建了从水氯镁石到金属镁的综合过程网络,其中涉及24个物种、20个化学过程和25个工艺路线;建立了最低能耗分析模型用于简单和复合过程的能量分析;利用物质的标准生成焓和多温等压摩尔热容,计算得出全部反应过程及工艺过程的能量消耗和热量移除。结果表明基于还原法的最优路径是水氯镁石用石灰法转为氢氧化镁,进而煅烧成氧化镁,再铝热还原成金属镁,该过程能耗360.15 kJ/mol,放出热量–315.46 kJ/mol;基于电解法的最优路径是石灰乳法生成氢氧化镁,再煅烧成氧化镁,通过在熔融电解质中电解生成金属镁,该过程能耗738.54 kJ/mol,放出热量–135.42 kJ/mol。无水氯化镁制备耗能高,不在最优路径中。