过程工程学报

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过程工程学报. 2021, 21(12): 0.

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离子液体-氧化石墨烯膜材料在CO₂分离领域的研究进展

郭艳东贺艳静张晓春

过程工程学报. 2021, 21(12): 1373-1382. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220344

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离子液体是一种饱和蒸汽压低、结构可设计、稳定性强、液态温度范围宽的绿色溶剂，同时对CO2又有较高的溶解度，因此成为当前CO2分离领域的研究热点材料。将离子液体和二维纳米材料结合得到的分离膜材料兼具离子液体和二维纳米材料的优势，在气体分离方面展现了良好的应用前景。其中，离子液体和氧化石墨烯的结合备受关注。针对这一热点问题，本工作综述了国内外通过氧化石墨烯、离子液体及离子液体?氧化石墨烯膜材料在CO2分离方面的研究和进展。相关研究表明，离子液体?氧化石墨烯膜材料具有较好的CO2选择性能、渗透性能和稳定性能，是一种非常有潜力的CO2分离材料。最后，提出了利用离子液体、氧化石墨烯及离子液体?氧化石墨烯膜材料进行CO2捕集分离的未来研究挑战和展望。

生物质吸附材料对Cr(VI)的吸附还原研究进展

武少杰郭成胡笳高翔鹏李明阳龙红明

过程工程学报. 2021, 21(12): 1383-1394. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220412

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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，传统处理含铬废水的方法具有工艺简单、操作方便等优点，但存在二次污染、处理成本高等问题。寻找成本低、去除效率高的重金属废水处理方法是当下研究的一个重要方向。本工作介绍了生物质吸附法对含铬废水的处理研究，简述了生物质材料在金属吸附回收领域的优势，分析了当前生物质吸附材料的研究内容和发展现状，归纳了目前常用的物理、化学改性方法，并详细介绍了改性生物质材料对Cr(VI)的吸附效果，然后根据吸附剂表面活性基团与吸附质之间相互作用的类型，分析总结了生物质吸附材料对Cr(VI)的四种吸附机理以及在吸附过程中氨基、羟基、硫醇等活性基团作为电子供体对Cr(VI)的还原机理。最后，从研究与应用的角度，对生物质吸附材料吸附还原Cr(VI)的未来研究方向做出展望。

纤维素辐照改性及其应用

董晓晗盛轲焱陈志炎黄江顾彦龙

过程工程学报. 2021, 21(12): 1395-1402. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220409

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辐照技术利用电离辐射诱发物理化学反应(例如交联、聚合、接枝、降解等)对材料进行加工或改性，与常规加工方法相比，具有节能、无环境污染等特点。将辐照技术应用于纤维素改性过程近年已成为非动力核技术应用领域研究的热点之一。本工作对目前纤维素的辐照技术及其基本反应机理进行了概述，其中包括纤维素膜材料、纤维素水凝胶、纤维素微晶/纳米材料，并对纤维素辐照改性过程的辐照环境，包括溶剂、敏化剂、温度、辐照剂量、环境氛围、结晶度等进行了总结。

活性氧物种及其检测方法的研究进展

何耀宇江治上官文峰陈运法

过程工程学报. 2021, 21(12): 1403-1418. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220423

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活性氧物种(Reactive Oxygen Species, ROS)是一种具有强反应活性的物质，主要包括超氧阴离子自由基、过氧化氢、单线态氧和羟基自由基等。作为氧化剂的氧气分子较为稳定，需要转化为高反应活性的活性氧物种后才能进一步与其他物质发生反应。在化学反应尤其是催化氧化反应中，活性氧的种类、生成、扩散行为等常常决定着整个反应的进行方向与速率；在生命科学领域，活性氧则参与能量转换、氧平衡等重要生理环节，与衰老、疾病等息息相关。而活性氧因其短寿命、强反应活性等，定性定量测试较为困难。选择合适的检测方式、提高检测的时空准确度，对于多相催化、环境化学、生命科学等领域研究有着重要意义。本工作对活性氧检测方法的基本原理、研究进展，以及在环境、生命领域以及多相催化的应用等方面进行对比与分析，比较各种手段的优缺点及适用范围。并对多相催化中氧物种的模拟及检测手段进行分析，展望了活性氧在催化氧化等领域未来的研究方向。

烯烃催化裂解反应器局部颗粒堆积结构的颗粒解析模拟

许飞陈飞国刘晓星吴昊鲁波娜刘志成滕加伟

过程工程学报. 2021, 21(12): 1419-1429. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221006

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烯烃催化裂解固定床工艺中的反应过程对压力敏感，深入研究催化剂堆积颗粒结构中的流动及压力分布对优化固定床结构及操作参数有重要意义。颗粒解析模拟方法广泛用于固定床内堆积结构的模拟，可以准确描述堆积结构中的流体力学行为，但对于复杂堆积结构网格生成困难。采用基于多孔介质模型的浸入边界法(PMM-IBM)结合网格自适应，实现了对固定床堆积结构的颗粒解析模拟，既解决了网格划分困难的问题，又节省了计算资源。采用网格自适应技术后，与均匀网格相比，堆积结构的网格总数减少大约80%。通过与贴体网格法的单颗粒表面受力分析对比，确定了此浸入边界法的关键模拟参数。随后模拟预测了三种床层与颗粒直径比值条件下堆积结构的空隙率及其内部的压力及流动分布。研究表明，堆积结构空隙中的局部轴向速度的最大值可以达到入口速度的10倍以上，轴向平均速度的径向分布与轴向平均空隙率分布一致，均成震荡衰减趋势。除此之外，预测的床层压降与Reichelt经验关联式结果较为吻合。在此基础上，耦合单颗粒内扩散和烯烃裂解的主反应，预测了反应物随孔径和孔隙率的变化，为进一步考虑外流场的变化奠定了方法基础。

铁浴反应器多段侧吹混合特性数值模拟

何奕波郭文科李怡宏刘光明崔鑫

过程工程学报. 2021, 21(12): 1430-1439. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221279

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在厚渣层铁浴熔融还原反应器水模实验的基础上，通过数值模拟的方法研究了双层侧枪在不同喷吹角度(40°, 45°, 50°)和不同水平插入深度(60, 120, 180 mm)条件下对熔池的搅拌情况的影响，通过水模型实验验证了数值模拟的准确性。通过观察气液两相流中熔池的流场以及示踪剂在熔池中的流动扩散情况，分析弱流区和死区的占比以及不同侧吹条件下的混匀时间，结果表明，侧枪水平插入角度对熔池搅拌的影响较水平插入深度更显著，侧枪的水平插入角度和深度影响熔池中产生的回旋流区域和回旋流个数，当侧枪水平插入角度越大，水平插入深度越深时，熔池中弱流区或死区的体积占比越小，越有利于熔池搅拌混匀。最佳的喷吹条件为上层喷吹角度50°及插入深度60 mm、下层喷吹角度50°及插入深度120 mm。研究了不同气流量对熔池混匀情况的影响，得出上下枪单支气流量分别为8.58和10.43 Nm3/h时，熔池的混匀时间最短。

水泥窑SCR烟气脱硝反应器内流场均匀性研究

许肖飞郭旸旸高虹王雪朱廷钰

过程工程学报. 2021, 21(12): 1440-1450. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220370

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采用Fluent软件对选择性催化还原(SCR)脱硝反应器内流场进行模拟，基于标准k-ε模型、多孔介质模型、物质输运模型、DPM模型，采用单一气相烟气分析了不同整流格栅间距、整流格栅高度、整流格栅位置及导流板个数、导流板角度对烟气流场均匀性的影响，最终对最优方案下单一气相不同组分的烟气、不同负荷进行了验证，以及DPM双相耦合条件下不同负荷进行了验证。结果表明，从无整流格栅到加整流格栅时，最大入射角均小于90°，催化剂上方涡流消失；当整流格栅的间距为107 mm，整流格栅高度为200 mm，整流位置与入口下边缘平齐时首层催化剂上层100 mm处的速度分布偏差系数降至19%；当导流板的个数为7个，导流板角度为18.2°时最为合适，此时首层催化剂上方100 mm处的速度分布偏差系数为11.91%，最大入射角度为3.14°。当最佳参数下对单一气相不同组分的烟气、不同负荷进行模拟，均符合工程要求。采用DPM双相耦合，颗粒物采用Rosin-Rammler分布条件下与单一气相进行对比发现，首层催化剂上方100 mm处平均速度有了一定的增加，速度标准差变化较小，速度分布偏差系数相应减小，符合工程要求。

气波引射器反馈结构的功能机理及性能实验

赵一鸣李浩然刘明昊胡大鹏

过程工程学报. 2021, 21(12): 1451-1462. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221016

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气波引射器是一种利用气体压力波实现能量交换过程的新型动态设备，因其具有效率较高、结构简单以及能耗低等优点，在诸多生产过程中具有广阔的应用前景。为提升气波引射器在中压背压较高工况下的应用性能，提出了一种简单易行的反馈结构，并对其功能机理与性能进行了模拟及实验研究。通过数值模拟考察了此结构通过预压缩作用来削弱反向压缩波不良影响的功能机理，得出此结构的适用条件以及应用效果判定条件。通过实验验证了数值模拟的正确性，并获得了反馈结构的实际应用效果。实验范围内，反馈结构获得的最大效率及引射率提升量分别可达6.93%和5.43%。

粒径对微米级氢氧化镁热解动力学的影响

陈英春陈杭于建国

过程工程学报. 2021, 21(12): 1463-1472. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220362

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采用热重分析仪研究了氮气气氛下不同尺寸氢氧化镁颗粒(微米级)的非等温热解动力学。结果表明，氢氧化镁热解反应呈现阶段性特征，转化率达0.8以上的反应后期，其产物水蒸气扩散被氧化镁膜所阻碍，导致失重速率明显降低。针对转化率0~0.8的氢氧化镁主分解阶段，采用Starink法和联合动力学分析法拟合解析其过程动力学模型，发现颗粒尺寸对微米级氢氧化镁的热解过程动力学无显著影响，由此可知，所考察范围内的氢氧化镁热解过程为分解反应控制，颗粒热传导和产物水蒸气扩散的阻力作用弱，氢氧化镁热解主反应过程近似于均匀转化。模型拟合求解结果显示，微米级氢氧化镁热解反应活化能为129.4 kJ/mol，指前因子为1.820×1010 min?1，其热解反应过程服从随机成核和随后生长机理(A1.5)。

高品位铜精矿短流程一步炼铜基础研究

周世伟郭祥张克仑张霸李博魏永刚

过程工程学报. 2021, 21(12): 1473-1480. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220421

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一步炼铜技术具有流程短、环保效益好、投资成本低等优势，符合当前短流程冶炼技术的发展方向。本工作以高品位铜精矿为原料，利用理论计算结合实验的方法研究了短流程一步炼铜过程熔体物相、粗铜直收率、渣含铜等变化规律。理论计算表明，当铁硅比0.6时，通过添加CaO可避免熔体中尖晶石相的析出，1300℃熔渣中化学溶解铜含量约8.6wt%。实验过程探讨了喷吹氧量和熔体静置时间与粗铜质量及熔渣特性的关系。在1300℃时，以0.4 L/min的流量向80 g熔体中喷吹70 min 50vol%的富氧空气，随后静置沉降2 h获得粗铜，铜直收率为82.12%。熔渣通过SEM-EDS分析发现，渣中存在大量尖晶石相，损失的铜主要以机械夹带形式存在，表明尖晶石相阻碍了金属铜颗粒沉降。

外加磁场对电渣锭洁净度的影响研究

施晓芳朱春丽徐涛常立忠

过程工程学报. 2021, 21(12): 1481-1490. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221010

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为进一步去除电渣锭中的大颗粒夹杂物，设计了带电磁搅拌的电渣重熔炉，研究了外加磁场及不同的电参数变化对电渣锭洁净度的影响，采用氧氮分析仪分析了气体含量的变化，采用扫描电镜分析了夹杂物形貌、组成、尺寸的变化。结果表明，不论是否施加磁场，电渣重熔后电渣锭中的氧含量明显增加，从自耗电极中的0.0007%增加最高至0.0052%，增幅高达7倍；氮含量略微下降。但夹杂物类型基本不变，主要由氧化铝、硫化锰、硫化锰?氧化物复合夹杂及氧化物等组成，且以氧化铝为主。外加磁场重熔以后，电极中最大夹杂物的直径从89.6 μm降为电渣锭中的12.1 μm (1.1 kA/108 Gs)，小颗粒夹杂物所占的比例增加，大颗粒夹杂物的数量减少。但过高的电磁力会降低夹杂物的去除效果，当采用1.5 kA/108 Gs的工艺参数重熔时，最大的夹杂物尺寸为30.6 μm，超过了未施加磁场的电渣锭中的夹杂物。电渣重熔后氧含量增加主要受空气污染及渣系中不稳定氧化物的分解，而外加磁场后产生的电磁力增大了渣?金接触面积，从而吸收了电极中的大颗粒夹杂物。

基于约翰逊转换的鲁棒化工过程监控方法

王骥柳楠胡明刚田文德

过程工程学报. 2021, 21(12): 1491-1502. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220340

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化工厂中一个小故障可能导致大事故，从而造成生命财产损失和环境破坏。为了防止小故障演变成大事故，化学工业需要有效的过程监控来及时检测故障和诊断故障原因。传统化工过程监控方法主元分析法(Principal Component Analysis, PCA)假设数据服从高斯分布，实践中有时并不满足该条件。此外，其使用方差、协方差捕捉数据非线性变化时，鲁棒性较差。本工作提出一种改进的主元分析法—基于约翰逊转换的鲁棒过程监控方法。首先引入约翰逊正态转换(Johnson Transformation)使过程数据服从高斯分布；其次使用鲁棒性强的斯皮尔曼相关系数(Spearman Correlation Coefficient)矩阵代替传统主元分析法的协方差矩阵提取特征向量，构造特征空间；最后将过程数据投影到特征空间，使用T2和SPE统计量实施过程监控。将此方法应用于TE过程故障案例，并与PCA和核主元分析法(Kernel Principal Component Analysis, KPCA)对比，验证了此方法的有效性。

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