过程工程学报

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过程工程学报. 2020, 20(12): 0.

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电子废弃物机械–物理协同强化资源化利用的研究进展

杨文涛陶天一白皓曹宏斌孙峙

过程工程学报. 2020, 20(12): 1363-1376. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219327

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电子废弃物组成复杂，含有金属相、有机物、氧化物材料等；其结合方式复杂，有黏结、螺丝连接、焊锡固定和卡扣连接等。在这些复杂的成分之中不仅含有多种稀贵金属而且还包含像铅、镉等多种有毒的重金属和各种溴化阻燃剂等有毒的有机物。这些电子废弃物如果不能进行有效回收，将会对环境造成巨大的危害，同时电子废弃物中稀贵金属的含量远高于自然矿物，因此回收电子废弃物中稀贵金属将能有效地缓解自然资源日益紧张的局面。与传统的化学回收方法相比，机械物理的回收方法具有操作简单、经济效益好、环境污染小等优点，被广泛应用于电子废弃物的回收过程。本工作概述了近年来电子废弃物机械物理资源化利用的研究进展，对机械物理回收的各个过程进行了系统地总结，包括前期的拆解和破碎过程以及最重要的物理分选技术，通过对不同分选技术优缺点的比较，指出对破碎产物进行形态调控将极大地提高机械物理处理的回收效率。

竖式移动床层中散料颗粒破碎的离散元分析

何野维李臻李心心姜泽毅林林

过程工程学报. 2020, 20(12): 1377-1385. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219365

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建立了竖式移动床层中颗粒破碎的炉料下降运动模型，采用离散单元法对干法熄焦炉和烧结余热回收竖罐两种竖冷装置内不同形状、尺寸及强度颗粒料的下落运动和破碎过程进行了数值计算。结果表明，颗粒在下落过程中所受压力先逐渐增大，进入出料区后又逐渐减小，颗粒破碎情况与所受压力密切相关；焦炭在干熄炉内下落到斜道区时，由于炉体直径扩张，料层所受平均压力减小，破碎速率有所减慢。由于烧结矿强度相对较小，刚进入烧结竖罐就发生破碎现象，而炉体直径扩张对破碎影响不大；受固定炉墙的影响，颗粒在靠近炉墙位置处更容易破碎。分析不同形状颗粒的破碎过程发现，正方形颗粒从某一顶点沿对角线逐渐破碎，长条形颗粒从一侧向另一侧逐渐破碎，而缺角的不规则颗粒从形状缺失一侧开始向内破碎。

超音速喷管内准一维气相流动建模与数值模拟

章利特余秋李吴博文刘天程冯子龙

过程工程学报. 2020, 20(12): 1386-1396. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220026

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通过理论分析建立考虑壁面摩擦和换热影响的喷管内气相准一维流动数理模型，在气动方程组矢通量分裂基础上，采用有限差分方法对其变体形式进行离散，空间导数采用五阶精度WENO格式，时间导数采用三阶精度三步TVD龙格库塔方法，在Fortran平台上进行编程和计算，进行模型方法验证和参数研究。结果表明，在适当选取摩擦修正因子时，数值模拟与实验数据吻合较好，验证了数理模型、数值计算与求解方法的有效性。喷管半扩张角增大时，出口气流速度和马赫数增大，而静压减小；进口总温提高时，出口速度显著升高，但由于壁面摩擦和换热加剧，相应的出口马赫数会减小；进口总压提高时，出口气流速度并不显著增大；壁面温度升高时，出口气流速度和马赫数均减小。

防返混锥对旋风除尘器内二次流的抑制效果研究

李冬杨宏刚王怡采晓帆蔡如明

过程工程学报. 2020, 20(12): 1397-1405. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220020

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旋风除尘器下部灰斗内存在的二次流会引起被捕集颗粒重新进入气流，进而导致旋风除尘器除尘效率下降。为有效抑制灰斗内二次流，采用内置防返混锥的手段，对不同防返混锥几何尺寸与安装位置的旋风除尘器进行两相流数值模拟。结果表明，内置防返混锥减少了灰斗内流场的切向、轴向速度及湍流强度，对旋风除尘器灰斗内二次流所引起的颗粒返混现象有显著的抑制作用。模拟结果推荐防返混锥最佳几何尺寸的顶角角度为80°，最佳安装位置为底面与锥口的垂直距离0.375B≤Bs≤0.5B。在入口速度为12 m/s时，与原结构相比，总除尘效率提高11.50%，压降增加8.29%。

离心型径向固定床分气流道内局部动量交换系数

魏鸿盛王若瑾王德武吴天航刘燕张少峰

过程工程学报. 2020, 20(12): 1406-1415. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220007

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针对离心型径向固定床气体流道内变质量流动特点，在一套冷模实验装置上，分别采取Π型和Z型操作模式，测量并分析了两气流道内压力分布，发现分气流道内的压力沿气体轴向流动方向呈增加趋势，集气流道与之相反。根据颗粒床层压降分布不均匀度和采用Ergun方程求得的径向气速轴向分布，发现离心Π型均略优于离心Z型。通过对气流道内微元控制体进行流量和动量衡算，由颗粒床层径向气速轴向分布可依次得到分气和集气流道内气速、局部动量交换系数计算方程。相较于集气流道，分气流道内动量交换系数对压力测量误差的敏感度较小。分气流道中，整体动量系数几乎不随操作模式、气体流量和轴向位置发生变化；而局部动量交换系数仅是流速比u/u0的函数，随流速比增大先降低后保持稳定。根据实验结果，回归得到的分气流道局部动量交换系数计算方程的误差在11%以内，有望为气流道内局部压力计算和结构优化设计提供参考。

扩缩方孔蜂窝蓄热体强化传热的数值模拟

吴仲达游永华王盛张壮周思凯戴方钦易正明

过程工程学报. 2020, 20(12): 1416-1423. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220009

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为提高烟气余热回收率，提出一种扩缩方孔蜂窝蓄热体，通过用户自定义函数(UDF)实现烟气和空气周期切换时流体种类和进口速度、温度等参数的改变，基于ANSYS Fluent软件建立了新型蓄热体的三维非稳态传热数值模型。通过比较模型预测值与文献实验值进行了模型验证。利用模型研究了新型蓄热体方孔扩缩角、扩缩节距和总长度对其传热和流阻性能的影响。通过温度云图分析了扩缩通道强化蓄热体性能的机理。结果表明，缩放通道能有效提高蜂窝蓄热体的传热性能，在压力损失增加不多的前提下，蓄热体效能最多提高约5个百分点。扩缩方孔蜂窝蓄热体长度越长，其传热性能越好；对于一定长度的新型蓄热体，扩缩节距(或扩缩角)不变时，蓄热体传热性能随扩缩角(或节距)增大而增强。扩缩角过大时，新型蓄热体流动阻力很大，综合性能不佳。

基于流固耦合的斜轴式搅拌器水力性能数值分析

黎义斌梁开一李正贵

过程工程学报. 2020, 20(12): 1424-1431. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220015

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为研究气液两相搅拌器的剪切分散性能，提出了一种上层为六直叶圆盘涡轮，下层为推进式桨叶的双层搅拌器，建立0°~30°倾斜轴搅拌器的模型，基于雷诺时均N-S方程、RNG k??湍流模型和VOF多相流模型，研究了倾斜角对斜轴式搅拌器内部搅拌性能的影响，基于流固耦合方法对斜轴式搅拌器进行了应力计算和失效分析。结果表明，倾斜轴改善了搅拌器内的轴向流动，气相沿轴向的扩散能力增强；倾斜角介于0°~30°时，搅拌器达到95%含气率的时间比0°时有明显缩短，25°和30°倾斜轴搅拌器所需时间相较0°分别缩短12.50%和22.71%；在相同转速下，轴功率随轴倾斜角度增大而增大；转速越高，搅拌器达到理想含气率的时间越短，且不同转速下混合时间随轴倾斜角度的变化规律基本一致；随倾斜角度增大，搅拌器所受等效压力随之增大，倾斜角度为30°时直叶圆盘涡轮危险断面处应力比桨叶许用扭转应力高8.7%，超出安全应力范围，桨叶易出现断裂失效问题。

旋流中间包夹杂物碰撞去除的数值模拟

卢金霖张东升罗志国邹宗树

过程工程学报. 2020, 20(12): 1432-1438. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220021

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旋流中间包是在中间包注流区内设置旋流室，钢液经长水口从旋流室底部沿着切线方向流入中间包内，使重力势能转化为旋转动能，旋转的钢液促使夹杂物向旋流室中心聚集，促进夹杂物碰撞聚合长大。用ANSYS Fluent中的PBM模型模拟了夹杂物在旋流中间包内碰撞聚合长大，用DPM模型模拟不同粒径夹杂物的轨迹和去除率。结果表明，相同操作条件下，考虑夹杂物之间的碰撞聚合时，无旋流室中间包的夹杂物平均直径从3.93 μm增至4.25 μm，夹杂物去除率为40.07%；旋流中间包夹杂物的平均直径从3.93 μm增至4.35 μm，夹杂物去除率从30.09%提升至43.20%。旋流中间包对夹杂物的去除能力优于无旋流室中间包。

相变储能冷却系统中储液器的设计与实验研究

袁俊飞王林王占伟焦永刚

过程工程学报. 2020, 20(12): 1439-1447. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219345

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相变储能冷却系统是用于短时大功率电子设备热管理的重要技术，系统在工作过程中的温度压力控制是该系统在应用过程中急需解决的问题。以NH3为制冷工质，针对10 kW热源的储能冷却系统中储液器进行理论分析和设计计算，建立相应的实验台，测试其运行特性。结果表明，储液器作为该系统的定压设备，在动力设备和热源启动及运行过程中，对系统循环工质起到补充和存储作用。储液器的压力波动随热源功率的增加而增大，随储液器和管路容积比的增大而减小。当储液器和管路系统的容积比为1.48时，热源运行期间温度波动仅为1.2℃。在热源受到扰动时，储液器和储能器的耦合工作特性能有效抑制系统的温度压力波动。

煤与高岭石表面性质对凝聚过程的影响机制

王茜茜黄元孙月石梦云牛安然林喆

过程工程学报. 2020, 20(12): 1448-1454. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219369

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煤泥水中含大量高岭石等黏土矿物，为其絮凝沉降带来较大的困难。为明确矿物性质对凝聚过程的影响机制，在应用扩展的DLVO理论计算煤和高岭石颗粒间作用力的基础上，采用聚焦光束反射测量仪监测了CaCl2用量为4.50 mmol/L时20 g/L的煤和高岭石的悬浮液在60, 100和150 r/min的搅拌转速下的凝聚过程。结果表明，颗粒间的静电作用力在颗粒表面间距2?200 nm范围内起主导作用，高岭石的电负性较大，在凝聚过程中更难发生靠近和碰撞；较高的转速可为颗粒提供较大的动量，有利于提高碰撞频率，缩短完成凝聚所需时间，实验条件下，煤和高岭石的凝聚时间分别由74和123 s缩短至47和89 s。疏水性作用力在颗粒表面间距小于2 nm的范围内起主导作用，决定了颗粒的黏附效率；煤因强疏水性，在碰撞后更易黏附，且能抵抗更高的流体剪切作用，可由19.32 μm凝聚形成100 μm的大凝聚体，而高岭石则因其亲水性难以得到较大粒度的凝聚体，均小于30 μm。

核糖核酸酶A的错流超滤复性

王向娟李秀男陈超苏志国马光辉赵大伟余蓉

过程工程学报. 2020, 20(12): 1455-1462. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220038

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针对重组蛋白高表达形成的包涵体，基于中空纤维膜的错流超滤复性具有较大的应用潜力。为研究不同条件对基于中空纤维膜的错流超滤复性的影响，以核糖核酸酶A (RNase A)为例，以复性过程的活性收率和质量收率作为考察指标，设计了RNase A复性初始浓度(A)、跨膜压力(B)、循环流速(C)的3因素3水平正交实验。结果表明，错流超滤复性过程中，以上复性条件对RNase A的质量收率基本没有影响，对RNase A的活性收率具有显著影响，其较优组合为A1B1C2，即RNase A复性初始浓度为0.3 mg/mL、跨膜压力34.0 kPa、循环流速935 cm/min。在以上复性条件下，RNase A的活性收率可达92.31%，质量收率为77.56%。

喷涂功率对YSZ涂层的力学性能和抗铝硅熔体腐蚀性能的影响

黄文薛召露刘侠倪振航吴朝军张世宏

过程工程学报. 2020, 20(12): 1463-1471. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220005

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热浸镀Al–Si合金涂层是一种有效的现代钢铁防腐涂层，但熔融Al–Si合金腐蚀已成为热浸镀Al–Si合金生产线沉没辊及其备件亟待解决的关键问题之一。本工作采用大气等离子喷涂技术制备Y2O3部分稳定ZrO2(YSZ)/NiCrAlY防护涂层，研究了喷涂功率对YSZ涂层组织和力学性能的影响和涂层在700℃下Al–Si熔体中的腐蚀行为。结果表明，YSZ涂层是由板条和层间柱状晶粒组成的典型层状结构，随着喷涂功率从37 kW增至46 kW，层间柱状结晶呈长大趋势；YSZ涂层主要由t-ZrO2相和少量m-ZrO2相组成，喷涂功率对涂层相组成无明显影响；喷涂功率为40 kW的YSZ涂层具有较高的显微硬度642.4 HV0.3和结合强度62 MPa。此外，当带有涂层的样品在700℃的Al–Si熔液中腐蚀240 h后，YSZ涂层与高温Al–Si熔液之间的界面没有反应层生成，同时Al–Si合金熔液中的Al和Si元素也未渗透进YSZ涂层内部，表明YSZ/NiCrAlY防护涂层有效地将Al–Si合金熔体阻挡在涂层表面。

纳米Co/rGO磁性复合吸附材料的制备及对Cu²⁺的吸附性能

张晶晶李建肖清贵张绘杜嬛薛天艳齐涛

过程工程学报. 2020, 20(12): 1472-1482. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220006

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以改进Hummer法制备的薄片状氧化石墨烯(GO)为载体和模板负载钴离子，然后采用原位还原法制得纳米金属Co/石墨烯磁性复合吸附材料(Co/rGO)，并将其应用于对Cu2+的吸附和脱除，以期为高效可复用的铜离子脱除剂的合成与应用提供指导。实验结果证实，Co/rGO复合材料具有超顺磁性，能够很方便的使用磁铁进行分离并在无磁场情况下振荡分散。Co/rGO复合材料对Cu2+具有稳定的吸附/脱附性能，实验条件下对Cu2+的最大吸附容量达到117.5 mg/g且5 min内实现吸附平衡，远优于其原料GO的60 min吸附容量27.6 mg/g。本工作系统考察了NaOH加入量、络合剂种类、溶剂种类等关键因素对Co粒子在rGO载体上形貌和分布特性的影响，比较了不同合成条件下的复合材料对Cu2+吸附效果的影响，并对优选条件下制备的Co/rGO复合材料进行了FT-IR, XRD, SEM表征。研究结果表明，纳米Co/rGO磁性材料对Cu2+的吸附过程更符合Freundlich模型，属于多层吸附。室温下吸附焓ΔH=17.81 kJ/mol，吸附反应平衡常数Kθ=3.65。当初始Cu2+浓度为39.22 mg/L时，对Cu2+的吸附率为93.47%，五次吸附/脱附循环后吸附容量仍保持在初始值的94%，每次吸附后溶液中残余Cu2+浓度均满足钴电解液对杂质铜离子的浓度去除要求(5 mg/L)或GB 8978-1996污水综合排放标准3级(2 mg/L)，有望在相关领域发挥作用。

基于深度残差网络的化工过程故障诊断

衷路生夏相明

过程工程学报. 2020, 20(12): 1483-1490. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219374

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本工作提出了一种基于深度残差网络(DRN)的化工过程故障诊断方法，可从大量化工过程运行数据中自动提取故障特征。模型采用快捷连接缓解传统深度神经网络训练困难的问题，且使用批归一化(BN)方法，可有效缓解梯度消失/爆炸的问题。以田纳西?伊斯曼(TE)过程为实验对象对所提方法进行诊断性能评价实验，并与以往的基于传统深度学习模型的TE过程故障诊断方法进行对比，进一步探究了模型层数、BN技术和残差结构对故障诊断率的影响，最后，通过t分布随机邻域嵌入(t-SNE)方法对网络部分层的输出进行可视化。结果表明，模型对21种工况取得了94%的平均故障诊断率和0.30%的平均假阳率，表现出更加卓越的诊断性能。输出层的二维散点图显示了清晰的聚类，表明所提出的DRN模型能够对故障进行准确诊断。

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