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    2021年 第21卷 第1期    刊出日期:2021-01-22
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    封面和目录
    过程工程学报. 2021, 21(1):  0. 
    摘要 ( )   PDF (842KB) ( )  
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    主编寄语
    主编寄语
    张锁江
    过程工程学报. 2021, 21(1):  1-2.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221001
    摘要 ( )   PDF (372KB) ( )  
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    故岁将于今宵尽,新年将于明旦来。站在岁月新旧交替的边缘,回首往昔,思绪飞扬,我们感慨万千,展望未来,山高水长,我们携手并进!过去的2020年,注定是不平凡的一年,有恐慌、有感动、有付出、有收获,尽管历尽艰难,但每个人都在用自己的方式拥抱希望、播撒温暖、坚持信念,值得我们铭记一生。今天,2020年就要画上句号,《过程工程学报》也即将昂首挺胸,生机勃勃地迈入新的一年!
    综述
    海藻酸钠基吸附材料去除水中重金属离子的研究进展
    郭成 高翔鹏 李明阳 郝军杰 龙红明 赵卓
    过程工程学报. 2021, 21(1):  3-17.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220059
    摘要 ( )   PDF (947KB) ( )  
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    重金属污染是当今工业发展所面临的一个重要环境问题之一,由于吸附法具有原材料来源广泛、价格低廉、可循环利用等特征,被认为是一种绿色环保的重金属离子去除方法。海藻酸钠是一种天然多糖,其表面存在大量对重金属离子吸附能力优良的羟基和羧基,目前已被广大科研人员用于实验室吸附材料的制备及研究。通过表面嫁接、交联等改性手段制备的海藻酸钠基吸附材料对重金属离子吸附容量大、去除彻底,拥有较好的工业应用前景。但由于海藻酸钠分子稳定性低、耐热性较差,目前在工业中尚无大规模应用。本工作综述了海藻酸钠基吸附材料的发展现状,介绍了海藻酸钠的结构特点和理化性质,分析了物理、化学改性的海藻酸钠去除重金属离子的吸附特性和影响因素,总结了这些材料对于重金属离子的吸附机理并指出当前研究在工业应用方面尚存的不足之处。在后续研究中,若能有效结合材料科学与环境科学的优势,制备出结构稳定、吸附性能优良的海藻酸钠基吸附材料,对于提升海藻酸钠及其他天然生物质材料的工业价值有重要意义。
    流动与传递
    真空变压吸附制氧径向流吸附器的流动特性模拟
    史怡坤 李瑞江 朱学栋 方海灿 朱子彬
    过程工程学报. 2021, 21(1):  18-26.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220029
    摘要 ( )   PDF (1640KB) ( )  
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    真空变压吸附制氧是一个复杂的动态过程,深入了解真空变压吸附制氧过程中吸附器内的流动特性是吸附器设计与完善的基础。基于Fluent中的多孔介质模型,通过用户自定义函数功能,建立了真空变压吸附制氧用径向流吸附器的二维轴对称模型,研究了真空变压吸附首次和第二次循环中径向流吸附器的流动特性,对比分析了吸附剂颗粒直径、流道截面积比和流道多孔板开孔率对吸附器流动特性的影响。结果表明,中心流道和外流道空间体积均会影响吸附器的流场分布和制氧效率,在设计径向流吸附器时需要兼顾内外流道空间体积的影响;减小吸附剂颗粒直径能改善吸附器气体分布状况,提高氧气分离浓度和回收率;增大中心流道与外流道截面积比有利于提升床层气体均布效果;中心流道和外流道多孔板开孔率减小均有利于降低床层径向速度不均匀性,中心流道多孔板开孔率的影响比外流道更大。
    基于空泡系数法的小型CO2跨临界热泵热水器最佳充注量计算及实验
    王栋 刘雅如 陈卓 寇遵丽 钱付平 汪祥支
    过程工程学报. 2021, 21(1):  27-35.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220031
    摘要 ( )   PDF (607KB) ( )  
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    自然工质CO2具有良好的环境和热力学性能,在小型系统中得到了越来越广泛的应用。小型系统的充注量决定系统性能优劣,存在着一个最佳值。基于一套小型CO2水源热泵热水器实验台,选用6种典型的空泡系数模型,运用空泡系数法对其最佳充注量进行计算,通过实验研究不同充注量对系统性能的影响,并利用实验结果对各种模型的计算结果进行验证,判断其计算准确度。结果表明,6种模型计算结果均具有较高的准确度,最大误差为9.80%;本系统中,Hughmark模型对于最佳充注量的计算结果误差为2.59%,且这个误差对于系统制热性能系数EERheat几乎没有影响。
    滑移效应下纤维绕流场及过滤阻力的数值计算与分析
    杨会 朱辉 陈永平 付海明
    过程工程学报. 2021, 21(1):  36-45.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220080
    摘要 ( )   PDF (3501KB) ( )  
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    考虑实际纳米/微米纤维表面的流体滑移效应,采用数值方法求解滑移流动机理下纳米/微米纤维绕流场及过滤阻力,分析讨论了Knudsen数Knf和填充率C对纤维近壁面速度分布及纤维过滤阻力的影响规律。结果表明,对纳米/亚微米纤维过滤情形,纤维表面流体的滑移效应导致纤维绕流场与非滑移条件下情形有显著差异,尤其在高填充率下,纤维表面最大滑移速度与来流风速相当;而对于大尺度微米级纤维,滑移效应对纤维绕流场及过滤阻力影响甚微。此外,已有纤维过滤阻力计算模型不能准确估计出具有强滑移效应的纳米纤维过滤阻力系数,且各纤维过滤阻力系数模型的估计结果存在跨数量级的偏差。根据数值分析结果,给出了一个适用于纳米/微米纤维过滤阻力系数的可靠估计式,适用参数范围为0.01≤C≤0.1,0.013≤Knf≤2。
    反应与分离
    离子交换分离L-缬氨酸的传质动力学及动态穿透特征
    陈建军 张军伟 宋乾宁
    过程工程学报. 2021, 21(1):  46-56.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220013
    摘要 ( )   PDF (876KB) ( )  
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    为了探讨离子交换分离L-缬氨酸的传质动力学及动态穿透特征,讨论了不同类型树脂的分离效能,研究了传质动力学及控制步骤,分析了固定床动态传质行为。结果表明,苯乙烯型强酸阳离子交换树脂有较佳的分离效能,吸附容量是其他树脂的5~8倍、选择性α为1.3~1.8;中性(或弱酸性)时,L-缬氨酸呈两性离子形态,有利于离子交换吸附。苯乙烯型强酸阳离子交换树脂001×7吸附分离L-缬氨酸,符合准二级动力学模型,初期受颗粒内与液膜两扩散共同控制,中后期受多个因素影响。Thomas和Yoon-Nelson模型适合描述L-缬氨酸和L-亮氨酸的动态穿透行为;流速增加,平衡吸附容量qe、体积吸附量N0和操作时间τ递减;料液浓度增加,平衡吸附容量qe和体积吸附量N0增加,但操作时间τ减少;床层高度的影响与料液浓度的影响呈相反趋势,高径比宜在5以下。
    动态扩散渗析法回收盐酸的实验与模型分析
    孙帅 孙宏骞 宋静 曲景奎 王勇 齐涛
    过程工程学报. 2021, 21(1):  57-63.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220052
    摘要 ( )   PDF (757KB) ( )  
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    近些年来,工业废酸的处理和回收逐渐成为困扰研究者的难题,膜分离技术以诸多优势成为研究重点。扩散渗析作为一种低能环保的膜分离技术,在废酸回收领域运用广泛,酸回收率一直是扩散渗析过程的重要指标。本工作以0.55 mol/L盐酸为原料进行动态扩散渗析实验,考察进料酸浓度、进料流量(620 mL/min)、水酸流量比(0.61.4)等操作参数对酸回收率的影响。通过无因次方法,针对特定的DF-120膜建立盐酸浓度和膜内渗透系数的经验公式,简化传质模拟,最终得到可以预测扩散渗析过程盐酸回收率的参数模型。对实验数据点进行分析,验证了数学模型的准确性。该模型也被用于更详细的实验操作条件下的预测,为实际工业生产提供了参考方法和理论依据。
    过程与工艺
    磷酸二氢铵-磷酸氢二铵-聚磷酸铵-水四元体系相平衡的实验与计算
    吕孝福 许德华 张志业 王辛龙 杨林
    过程工程学报. 2021, 21(1):  64-70.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220042
    摘要 ( )   PDF (497KB) ( )  
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    利用Schreinemaker湿渣法,通过离子色谱和质量守恒方程联立得到各组分在饱和液相和湿渣相中的分布,从而得到25℃下磷酸二氢铵磷酸氢二铵聚磷酸铵水四元空间相图,解释了聚磷酸铵水溶液结晶、沉淀的问题,对聚磷酸铵作为高效水溶肥料使用、储存具有指导意义。同时为快速获得聚磷酸铵其他体系相图,引入电解质溶液局部组成模型回归了实验体系的溶剂(盐)盐相互作用能量参数,通过回归参数计算所得的相图与实验相图吻合较好,可用于其他聚磷酸铵体系相图的预测。
    煤基甲醇芳构化分离过程多目标优化
    郭艳东 苏航 陈嵩嵩 霍锋 张军平
    过程工程学报. 2021, 21(1):  71-82.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220078
    摘要 ( )   PDF (786KB) ( )  
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    国内煤化工产品普遍存在产能过剩和同质化严重的问题,开发以煤基甲醇合成二甲苯的新技术具有重大意义。针对煤基甲醇合成二甲苯技术中面临分离过程能耗高的难题,本工作基于甲醇芳构化技术,利用Aspen Plus与Matlab的交互链接,对非芳烃、苯、甲苯、二甲苯、三甲苯的分离过程开展了多目标优化研究。采用NSGA-II遗传算法,以苯甲苯收率、二甲苯收率、年度总成本和能耗指标作为四个目标函数,分别针对传统双塔精馏序列工艺和分隔壁塔精馏工艺进行了多目标优化,发现回流比对年度总成本的影响最明显。在满足约束条件的前提下,基于最低的年度总成本对两个分离工艺进行了比较。结果表明,分隔壁塔工艺较双塔精馏序列工艺的最低年度总成本低7.7%,换热器花费低16.1%,能耗指标低26.3%。分隔壁塔工艺成本低、能耗低,具有环保、绿色、可持续性的优势。
    生化工程
    基于响应面法对制备高包埋率ROP-PLGA微球的影响因素分析
    文康 韦祎 马光辉
    过程工程学报. 2021, 21(1):  83-91.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220050
    摘要 ( )   PDF (2092KB) ( )  
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    作为一种新型酰胺类局部麻醉药,罗哌卡因(ROP)被广泛用于术后的疼痛管理中。ROP半衰期短(t1/2=1.8 h),临床上为满足患者的镇痛需求,常需多次给药,导致患者顺应性差。采用复乳溶剂挥发法结合快速膜乳化技术制备ROP-PLGA微球,最终在外水相PVA浓度1.5%(w/v)、油相与外水相(O/W2)体积比1:7.5、复乳液搅拌速率300 r/min、过膜压力10 kPa条件下得到粒径为7.831 μm,Span值为0.874的均一PLGA微球。基于响应面法设计实验考察了外水相pH、油相PLGA浓度、内水相与油相(W1/O)体积比等因素对微球包埋率及载药量的影响,模型优化的条件:外水相pH为11、油相PLGA浓度为15% (w/v)、内水相与油相(W1/O)体积比1:10。模型预测载药量为17.6 μg/mg,包埋率53.89%,重复性验证实验测得载药量(18.0±0.5) μg/mg,包埋率(55.7±2.69)%,相对误差小于7%,证明模型可靠。体外释放结果显示,3天累计释放率约为50%,5天累计释放率约为70%,表明制备的ROP-PLGA微球具有平稳的缓释作用,微球制剂在局麻药缓释领域具有巨大的潜力。
    一步离子交换层析从Cohn组分V上清液中分离人血清白蛋白
    向杰 张松平 张贵锋 罗坚 余蓉
    过程工程学报. 2021, 21(1):  92-99.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220073
    摘要 ( )   PDF (489KB) ( )  
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    传统的血浆低温乙醇沉淀工艺中Cohn组分V上清液由于其乙醇浓度高(体积浓度40%),进一步回收残余蛋白困难而被作为废弃组分。本研究探索了采用一步层析从Cohn组分V上清中回收人血清白蛋白的方法。首先以牛血清白蛋白(BSA)为模型蛋白,比较了三种不同类型介质在不同乙醇水溶液中的吸附容量。疏水介质在乙醇水溶液中对BSA吸附能力很弱,增加乙醇浓度导致吸附量趋近于零;阳离子交换介质在低乙醇浓度下有较高的吸附量,但随乙醇体积浓度增高下降较大。相比之下阴离子交换介质展示了最好的吸附性能,在乙醇体积浓度40%的乙醇水溶液中吸附容量仍达34.66 mg/mL。进一步实验表明,在乙醇存在下BSA在阴离子交换介质上的吸附可用Langmuir等温吸附方程描述。将阴离子交换介质DEAE Sepharose Fast Flow装填层析柱,用于从Cohn组分V上清液中分离人血清白蛋白,将40%乙醇的Cohn组分V上清液直接进料阴离子交换层析柱,采用两步洗脱策略,第一步改变pH值由7.0到4.5以洗脱目标产物人血清白蛋白,第二步将氯化钠浓度从0增加到1 mol/L以洗脱紧密结合的部分酸性糖蛋白。SDS-PAGE电泳检测人血清白蛋白纯度为96.35%,得率为43 mg/L Cohn组分V上清液。圆二色谱和荧光光谱检测表明经过离子交换回收的白蛋白二级结构和三级结构与对照的医疗制品无明显差异。活性分析表明回收的白蛋白与配体华法令钠的结合常数与对照的医疗制品的结合常数相似。本研究表明,离子交换层析可用于从含乙醇的溶液中分离蛋白质,一步离子交换层析就可从血浆工业废弃液中回收高纯度的人血清白蛋白。
    材料工程
    高离子电导率及CO2渗透性聚三唑盐薄膜的制备及性能
    付超 王秀云 万里强 韩心悦 王琳晓 方建维 黄发荣
    过程工程学报. 2021, 21(1):  100-107.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220054
    摘要 ( )   PDF (577KB) ( )  
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    通过叠氮化合物和炔基化合物之间的Huisgen反应,结合烷基化和离子置换反应,制备了具有高离子电导率及高CO2渗透性能的新型交联型聚三唑盐薄膜。首先合成了端炔基聚四氢呋喃(DPPTMEG),利用其与双酚A二炔丙基醚(BADPE)及联苯二苄叠氮(DAMDB)间的Huisgen反应及后续的烷基化和阴离子置换反应制得新型交联型聚三唑盐薄膜。通过核磁共振磁波谱(NMR)、宽频介电阻抗仪(BDS)、动态热机械分析(DMA)、气体渗透装置、热失重分析(TGA)、拉力机对制得的交联型聚三唑盐薄膜的结构、热性能、力学性能、离子导电性和CO2/N2的渗透性进行研究。结果表明,此交联型聚三唑盐薄膜有着优异的离子导电性能,在30℃的直流电导率最高可达2.94×105 S/cm;同时,CO2渗透系数最高可达到550.4 barrer;不同配比的聚三唑盐薄膜的Td10变化不明显,而玻璃化转变温度Tg随双酚A二炔丙基醚含量的增加逐步上升。
    环境与能源
    安徽临涣矿区烟煤与生活污泥共燃的燃烧特性与动力学特征
    夏紫薇 郑刘根 周春财 魏祥平 董祥林
    过程工程学报. 2021, 21(1):  108-115.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219375
    摘要 ( )   PDF (623KB) ( )  
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    以安徽淮北临涣工业园燃煤电厂煤样品和生活污水处理厂污泥样品为研究对象,采用热重分析法(TGA)对不同混合质量比条件下的煤与污泥进行了共燃实验,同时通过五种反应动力学模型研究了不同燃烧阶段煤、污泥样品共燃的动力学特征,揭示了煤和污泥的燃烧特性。研究结果表明,煤在529℃出现一个失重峰,污泥分别在140, 293和430℃出现三个失重峰,表明污泥的燃烧过程分为三个失重阶段,而煤只有一个失重阶段。煤的可燃性指数与综合燃烧特性指数为11.36×10–6 mg/(K–2•min), 47.16×10–10 K–3•min–2,与煤相比,污泥的可燃性指数与综合燃烧特性指数较低,分别为10.74×10–6 mg/(K–2•min), 13.04×10–10 K–3•min–2。在煤中添加污泥可以提高反应的燃烧特性,混合质量比以90(煤):10(污泥)为宜。随升温速率升高,煤与污泥的失重减少,燃烧失重速率增加,DTG曲线向高温区移动,产生热滞后现象。在固定碳燃尽阶段,混合燃料的活化能均位于两种原料之间,并且随污泥添加量增加而降低,表明污泥的添加有效提高了煤的反应活性并促进其燃烧过程。
    混空轻烃燃气液相析出成核热力学分析
    袁淑霞 张哲锋 樊玉光 张雄
    过程工程学报. 2021, 21(1):  116-124.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220017
    摘要 ( )   PDF (610KB) ( )  
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    混空轻烃燃气是将液态轻烃原料汽化、与空气按一定比例混合制成的可燃气体,是一种清洁燃料。但以戊烷为主的轻烃原料常温下为液态,汽化混合后的燃气存在露点较高问题。采用成核热力学理论研究局部温度、压力变化引起的相变/成核驱动力,进而研究液滴的成核能,得到混空轻烃燃气液相析出的成核机理、成核能及其与过冷度和过饱和度的关联关系。结果表明,相变/成核所需过冷度和过饱和度随温度、压力的增加而降低;尽管发生完全相变所需过冷度及过饱和度较高,较难达到,但液相析出成核所需过冷度及过饱和度则极易达到,因此防止燃料露点形成的重点是控制从成核到完全相变的发生。