过程工程学报

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过程工程学报. 2021, 21(8): 0.

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微分散法连续制备微气泡的研究进展

谢冰琪周才金黄小婷马向东张吉松

过程工程学报. 2021, 21(8): 865-876. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220341

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微气泡的尺寸介于1~1000 μm之间。相比于传统大气泡，微气泡具有体积小、比表面积大、上浮速度慢和传质效率高等优点，被广泛应用于石油、化工、食品、化妆品、医学和废水处理等领域。相比于传统的微气泡制备方法，气液微分散法制备微气泡生产效率高、可控性好、灵活性高和易于放大，受到了学者们的广泛关注。鉴于微气泡的广泛应用，快速准确的对气泡的大小和尺寸分布的表征也至关重要。本工作对常用的微气泡尺寸表征方法进行了归纳总结，比较了不同的微气泡制备方法的优缺点，并重点阐述了微通道法和膜分散法制备微气泡的研究现状。在此基础上对微分散法制备微气泡的未来研究方向进行展望。

表面活性物质影响下单个自由上升微气泡传质过程的直接数值模拟

李成祥崔怡洲石孝刚高金森蓝兴英

过程工程学报. 2021, 21(8): 877-886. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220240

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2017年，国际标准化组织将直径介于1~100 μm之间的气泡定义为微气泡，本研究参照上述定义，针对微气泡容易受到表面活性物质影响的特点，通过直接数值模拟对不同尺寸单个自由上升微气泡在表面活性物质影响下的传质速率进行研究。通过与模拟结果对比发现，微气泡的运动速度及传质速率均可用Clift等总结的爬流范围内的理论进行较为准确的预测。表面活性物质在微气泡表面的吸附会降低气泡的液相传质系数，但对于受表面活性物质影响程度较大的微气泡，其液相传质系数随气泡尺寸减小呈持续增加趋势，而与洁净微气泡先减小后增加的趋势有所不同。因此在无法排除表面活性物质影响的应用场合，进一步缩小微气泡的初始尺寸，不仅可以增加气相的比表面积，微气泡的液相传质系数也会进一步增加，其传质能力将得到进一步加强。

微气泡强化磷酸介质中Fe²⁺高效氧化研究

王亚茹吕页清王少娜杜浩

过程工程学报. 2021, 21(8): 877-894. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220248

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为实现酸性介质中Fe2+的高效分离，工业中常采用双氧水氧化法将Fe2+转化为溶解度更低的Fe3+而实现铁的析出，该方法双氧水利用率低，经济性差，亟待开发酸性介质中新型的Fe2+低成本高效氧化法。基于微气泡在酸性介质中可爆裂生成活性氧原理，本工作开发了微气泡强化氧化Fe2+技术，研究了曝气头尺寸、反应温度、酸浓度等对微气泡强化氧化Fe2+及羟基自由基生成的影响，确定了反应的最佳条件为90℃、30wt% H3PO4、0.22 μm孔径曝气头，在上述条件下，30 min Fe2+氧化率可达约99%，与现行H2O2氧化效果相当，大大降低工艺经济成本。同时，本工作对微气泡强化Fe2+氧化的机理进行了研究，确定了微气泡爆裂生成的主要活性氧为羟基自由基，并研究了曝气头尺寸、反应温度、酸浓度等对羟基自由基生成的影响，获得了酸性介质中羟基自由基生成的调控规律。

分级多孔碳的制备及其在超级电容器中的应用

崔颖刘威肖赛君

过程工程学报. 2021, 21(8): 895-904. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220187

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超级电容器因其高功率密度、超高速充放电、高稳定性等突出特点在电化学储能装置中引起人们极大关注。在当前开发的电极材料中，碳材料因其良好的导电性、孔隙率及形貌可调等特点备受青睐。传统的单一微孔碳材料具有较大的比表面积，但存在利用率低、孔道堵塞、电阻较大等问题。针对上述问题，研究人员对分级结构多孔碳材料开展了广泛的研究。本工作通过分析调研国内外相关文献，详细评述了现有分级多孔碳材料制备方法，简要介绍了各方法的原理和优缺点，同时对分级多孔碳应用于超级电容器时的性能改进方法进行了总结，并展望了其未来发展方向，为将来分级多孔碳的进一步研究提供参考。

脂肪伯胺的合成及工业化研究进展

潘嘉晟王耀锋马爽爽孙瑞仝育婷丁其达张锐

过程工程学报. 2021, 21(8): 905-917. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220235

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有机胺在化工、医药、生命科学等领域有着广泛的应用，可作为染料、日用品原料以及抗生素、生物碱、临床医学药物等。在众多胺类化合物中，伯胺是最基础的结构单元，其应用在胺类化合物中也最为广泛。随着经济社会的快速发展与人们生活质量的提高，伯胺，尤其是脂肪伯胺的市场需求量与日俱增，脂肪伯胺的合成及工业化制备已成为一个重要领域。经过了数十年的发展，脂肪伯胺的生产技术已经取得了巨大的成果，但仍然存在一些问题，例如苛刻的反应条件、催化剂性能不足、污染严重、工艺复杂等。本文以脂肪伯胺的工业生产以及热点制备方法为研究对象，针对工业上制备脂肪伯胺的工艺进行了汇总归纳(包括卤代烃胺化法、醇还原胺化法，腈加氢还原法、烯烃直接胺化法、羧酸胺化法等)，并举例说明各制备方法在工业生产中的实际应用，分析比较各工艺方案的优劣，并对当前的研究热点——通过羰基还原胺化制备脂肪伯胺的方法进行了研究进展的阐述，指出该制备方法在未来工业应用的潜力与挑战。

喷动流化床最大喷动压降的多因素影响与关联

付爽王东祥俞建峰金海安

过程工程学报. 2021, 21(8): 918-925. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220256

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基于截面200 mm×20 mm，高1600 mm，锥角60°的矩形喷动流化床，以二组分混合颗粒、单一组分球形颗粒及非球形颗粒为物料进行最大喷动压降的实验研究。结果表明，最大喷动压降随静止床高、颗粒密度、颗粒球形度及二组分混合颗粒体系中沉积组分分率增加而增大，随流化气速增大而减小；增大颗粒粒径或喷口宽度，呈现先减小后增大趋势，存在极小值；对于非球形颗粒及混合颗粒，其床层总压降随表观喷动气速变化的规律与单一组分球形颗粒相同，但相同条件下的前者压降波动幅度大于后者。以实验测量的854组数据为基础，结合量纲分析法建立了最大喷动压降预测关联式，与测量值及文献实验数据吻合较好。

磁性纤维直径对捕集Fe基细颗粒影响数值模拟

贾中坚刁永发张俪安楚明浩沈恒根

过程工程学报. 2021, 21(8): 926-934. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220241

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为了实现对钢铁行业微细颗粒的超低排放，提出磁性纤维提高对 Fe基细颗粒物的捕集。基于计算流体力学?离散相模型CFD-DPM对比研究了传统纤维、磁性纤维直径对Fe基细颗粒捕集效率以及过滤阻力的影响。结果表明：当风速为0.10 m/s时，对于直径为35~45 μm范围的纤维，直径的增大能够明显增加过滤阻力。对于粒径小于2.5 μm的颗粒，磁性纤维直径的增加对捕集效率提高的影响相对较小，当颗粒粒径大于2.5 μm时，增大纤维直径能够显著提高捕集效率。风速处于0.01~0.05 m/s范围时，增大纤维直径对提高磁性纤维捕集效率作用明显；当风速为0.08~0.10 m/s时，纤维直径变化对捕集效率的影响较小。磁性纤维质量因子随纤维直径增大而下降。

Kenics型静态混合器内分散相液滴破碎和聚结过程的CFD-PBM数值模拟

王宗勇王亮孟辉波

过程工程学报. 2021, 21(8): 935-943. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220202

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采用CFD-PBM耦合方法对Kenics型静态混合器内分散相油滴破碎及聚并行为进行数值模拟研究，分析了雷诺数、混合元件数、元件长径比等参数对分散相液滴粒径的影响，揭示了分散相在Kenics静态混合器内流动过程中液滴粒径的演化规律。结果表明，随雷诺数增大，分散相液滴出口粒径不断减小，并出现临界趋势；静态混合器的前几个元件段粒径下降较快，雷诺数越高，油滴破碎达到稳定粒径所需的流动距离越短，而元件数仅在较低雷诺数下对粒径有明显影响；相同雷诺数下元件的长径比越小，其出口粒径越小，且达到稳定所需流动距离越短。

硅类物质在铁水脱磷过程中的影响特征

孙国斌向晓东

过程工程学报. 2021, 21(8): 944-950. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220183

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为探索硅类物质对铁水脱磷的影响，分别利用硅铁和SiO2配制不同硅/SiO2含量的铁水和脱磷剂，研究其对脱磷率的影响。同时，为了解渣?铁体系中不同硅类物质作为初始条件时的铁水脱磷特征，选取了脱硅反应所涉及的三种硅类物质(硅铁、SiO2和CaSiO3)作为铁水或脱磷剂添加物进行铁水脱磷取样实验，并对各实验中磷的总传质系数进行计算。结果表明，在温度为1400℃、铁水含磷0.3wt%的条件下，当铁水初始硅含量在0.4wt%时，能够获得超过90%的脱磷率。而脱磷剂中初始SiO2含量对脱磷率的影响并不明显。此外，在硅、SiO2和CaSiO3物质的量相同的条件下，使用含CaSiO3脱磷剂的铁水脱磷实验能够获得更高的磷的总传质系数。

铁矿烧结烟气半干法脱硫灰除杂及水热非均相低温快速氧化

魏汝飞朱玉龙周笛王毅璠龙红明

过程工程学报. 2021, 21(8): 951-958. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220223

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铁矿烧结半干法烟气脱硫灰因含有大量性质不稳定的亚硫酸钙，无法得到有效利用，脱硫灰的氧化改性是实现其大规模或高值化利用的重要手段。脱硫灰中的碳酸钙是限制其氧化改性的主要因素，碳酸钙与亚硫酸钙两者相互包覆，降低了亚硫酸钙氧化反应的比表面积，限制其氧化速度。利用L(+)-抗坏血酸和冰醋酸两种弱酸作为对碳酸钙的脱除剂，其中浓度为0.4 g/g的冰醋酸可将脱硫中亚硫酸钙含量最高提升至81.17%，最大增幅达69.71%。采用亚临界水热非均相氧化法对不同因素对脱硫灰中亚硫酸钙氧化率的影响进行了研究。结果表明除杂后亚硫酸钙的氧化速率明显增加。在温度140℃、时间30 min、初始压力2 MPa、初始固液比1:30、转速300 r/min条件下，亚硫酸钙氧化率达98.72%，实现了脱硫灰低温快速氧化，产物初步具备制备大长径比硫酸钙晶须生长基础条件。

流态化气相沉积过程中稀释气体流量对颗粒表面SiO₂沉积的影响

吴朝阳高子涵孔辉先琛贾吉祥廖相巍

过程工程学报. 2021, 21(8): 959-968. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220257

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利用Fe(Si)合金球形粉末为沉积基底，正硅酸乙酯为SiO2气相介质前驱体，采用引入流化环节的化学气相沉积工艺合成了Fe(Si)/SiO2复合粉末。考察了沉积过程中Ar稀释气体流量对Fe(Si)基底粉末表面SiO2绝缘介质沉积过程的影响规律及形成完整核壳异质结构的稀释气体流量范围。实验结果表明，随着流态化气相沉积过程中Ar稀释气体流量的逐渐增大，SiO2绝缘介质在Fe(Si)粉末基底表面的微观形貌从亚微米级团簇转变为完整薄膜再向多孔薄膜转变，沉积速率先减小后增大再降低，在250 sccm时SiO2绝缘介质均匀性最好，沉积速率为0.069 nm/s。此外，形成完整Fe(Si)/SiO2核壳异质结构的Ar稀释气体流量范围为200~300 sccm。

类腐植酸的组分、分子结构及其生理活性研究

尚冰凯莫海涛符卓旺张小勇

过程工程学报. 2021, 21(8): 969-975. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220291

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采用元素分析、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)和固体13C核磁共振等方法，对四种不同原料制备的类腐植酸与矿物源腐植酸在组分、元素组成和分子结构方面进行了研究，通过种子萌发实验对类腐植酸的生理活性进行了测定。结果表明，以草本植物(麦草、竹子)为原料制备的类腐植酸中，黄腐酸的含量明显高于木本植物(松木、杨木)制备的样品。类腐植酸与矿物源腐植酸的分子结构相似，具有腐植酸的特征官能团。与矿物源腐植酸相比，类腐植酸结构更复杂，其中芳香族结构、木质素衍生物及多糖等结构含量更多，含氧官能团含量较低，其中草本植物源制备的类腐植酸比木本植物制备的样品的芳香化程度更高，分子量更小。小麦种子萌发研究结果显示，类腐植酸浓度为20~40 mg/L时对种子萌发起到明显的促进作用，但浓度过高反而会抑制其生长。

电吸附-电沉积联合作用下的低浓度铜离子分离

胡美清金伟

过程工程学报. 2021, 21(8): 976-984. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220188

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对于酸性低浓度含铜废水中铜离子回收，直接采用电沉积方法不仅效率低、耗时长、而且产品质量差。为了实现低浓度含铜废水高效分离回收，本研究提出了一种电吸附-电沉积联合新方法，首先使用电吸附方法，使铜离子浓度由30 mg/L浓缩至500 mg/L，然后接入旋流电解装置，在电压0.25 V、电流密度150 A/m2下，99%的铜离子以铜产品形式得到回收，且能量消耗仅为1.35×10?2 kW/h。这种通过两种电化学方法联用的思路，对于处理低浓度金属废水以及回收金属离子具有良好发展前景。

基于响应曲面法的高炉煤气CO₂吸收工艺参数优化

张金星张样黄志甲祝立萍

过程工程学报. 2021, 21(8): 985-992. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220245

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工艺参数优化是降低碳捕集系统再生能耗的有效途径之一。以高炉煤气醇胺溶液吸收CO2捕集系统为研究对象，将Aspen Plus与响应曲面法(RSM)相结合，研究贫液温度、贫液负荷、再生塔压力对碳捕集系统再生能耗的影响。在此基础上以Aspen Plus模拟数据为样本，并以样本中的再生能耗为响应值，利用响应曲面法建立数学模型，获得再生能耗最低的优化参数组合。结果表明，贫液温度、贫液负荷、再生塔压力对再生能耗均具有显著性影响，且贫液负荷和再生塔压力存在明显交互效应；贫液温度和贫液负荷及贫液负荷和再生塔压力各自间的交互作用表明，贫液负荷和再生塔压力的变化会影响再生能耗的大小；响应曲面优化得到最佳工艺参数：贫液温度30℃、贫液负荷0.24 mol/mol、再生塔压力1.80×105 Pa、再生能耗3.12 GJ/t，相比基准实验方案再生能耗下降28.4%。

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