过程工程学报

封面和目录

过程工程学报. 2022, 22(3): 0.

摘要 ( )

PDF (4306KB) ( )

相关文章 | 计量指标

废锂离子电池的热处理：过程污染物迁移和转化

黄翰林刘春伟姚少杰孙峙

过程工程学报. 2022, 22(3): 285-303. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221070

摘要 ( )

PDF (2565KB) ( )

相关文章 | 计量指标

废锂离子电池中不仅富含我国高对外依存度的关键金属，还含有重金属、有机污染物等有毒有害物质，具有资源与环境的双重属性。推进其高效循环利用是保障新能源汽车等战略新兴产业可持续发展的关键。锂离子电池组成结构复杂，有机物成分变化大、种类多，常规的火法和湿法冶金过程容易产生二次环境危害，不利于资源的清洁循环利用。热处理作为保障废锂离子电池中有价金属资源有效回收的重要技术，近年来受到了行业的广泛关注。热处理技术具有二次污染小、设备简单、过程易放大、经济性高等诸多优势。结合热处理技术对废锂离子电池回收中的污染物进行源头治理，既能实现清洁生产，也能强化后续深度处理。本工作立足于行业现状和战略需求，重点讨论了废锂离子电池预处理中的污染物产生、迁移和转化规律，对比总结了热处理在杂质去除和污染防控等方面的技术优势。同时，对废锂离子电池的热处理工艺进行了系统分类，总结了不同热处理条件下的物质转化规律。

紫精类变色材料的合成与应用研究

赵高峰赵炜珍刘晓敏

过程工程学报. 2022, 22(3): 304-317. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221132

摘要 ( )

PDF (1614KB) ( )

相关文章 | 计量指标

紫精是一种具有显著光学对比度、较高着色效率、独特氧化还原稳定性的化合物。它易于进行分子设计以及被用于大面积器件的制作。由于其独特的性能，紫精类变色材料在军事伪装、屏幕显示、信息存储、智能变色窗等领域都有着广泛的应用前景，成为当前研究的热点之一。随着智能材料的迅速发展，科研工作者对紫精基变色材料(包括小分子紫精衍生物、紫精功能共轭聚合物，基于紫精的有机/无机复合材料)的研究也逐渐深入。本工作对近年来紫精变色材料的研究进展进行了综述，重点介绍了紫精的合成与应用、离子液体和聚离子液体在紫精变色领域中的应用以及目前国内外企业和研究单位的研究现状，并从工业应用方向讨论了紫精变色材料目前存在的问题和未来的潜在应用。

基于多GPU并行格子Boltzmann方法的方管湍流模拟

胡涛向星葛蔚王利民

过程工程学报. 2022, 22(3): 318-328. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221118

摘要 ( )

PDF (5619KB) ( )

相关文章 | 计量指标

采用CUDA (Compute Unified Device Architecture)和MPI (Message-Passing-Interface)在超级计算机Mole-8.5E上实现了格子Boltzmann方法(LBM)多GPU并行算法，通过三维顶盖驱动方腔流算例验证了多GPU并行LBM算法的准确性和有效性，利用该并行算法分别对雷诺数Reτ为300, 600, 1200下的充分发展的方管湍流进行了大规模模拟。研究发现，当计算网格尺寸小于黏性底层厚度(即Δ+<5)时，在壁面附近的相关传递特性统计误差较小，预测精度满足工程应用范围；Reτ为300, 600时，不同网格尺寸Δ+下的模拟结果表明LBM在方管流中心湍流特性统计具有网格弱相关性，Reτ为600时，与DNS (Direct Numerical Simulation)相比，Δ+=1.667, 3.750, 6.250时平均流向速度的平均误差分别是1.357%, 2.994%和4.766%；Reτ分别为300, 600和1200时，对应网格尺寸Δ+分别为0.833, 1.667和3.333时的方管湍流模拟中，成功捕捉到了二次流特性，预测得到的中心面流向速度、脉动均方根速度等的规律与文献基本吻合，进一步验证了单松弛LBM的可靠性，相关计算结果也为理解高Reτ下的方管湍流特性提供了参考。方管湍流的模拟验证了单松弛LBM多GPU并行算法在超大规模网格计算中的潜力，为进一步实现实际工程流动所需更大规模的数值模拟奠定了基础。

三级活塞推料离心机数值模拟与操作参数优化

周里群王智明汪振南李玉平黄治中

过程工程学报. 2022, 22(3): 329-337. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221078

摘要 ( )

PDF (5880KB) ( )

相关文章 | 计量指标

针对新型三级活塞推料离心机的研发，在转鼓尺寸和物料增大情况下，操作参数对分离过程中转鼓内侵蚀现象和分离效率有重要影响。采用样机实验结合CFD数值模拟，对三级活塞推料离心机进行三维建模和仿真，并利用密集离散粒子模型(DDPM)模拟侵蚀过程。基于粒度分析可知，氯化钠颗粒粒径dm为0.070~0.200 mm时，随颗粒粒径增加，固相对离心机转鼓内部的侵蚀越大。结合响应面分析法可知，响应模型各因素的交互影响明显，以更高分离率与更低侵蚀率作为评价指标，得出最优值为推料频率40次/min、转鼓转速1431 r/min、进料浓度60%。与实验数据进行对比，模拟结果的误差在可接受范围内。

Q型静态混合器内液滴群分散特性

孟辉波王建宝禹言芳王宗勇吴剑华

过程工程学报. 2022, 22(3): 338-346. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221104

摘要 ( )

PDF (1685KB) ( )

相关文章 | 计量指标

静态混合器因具有结构紧凑、强化性能优异和连续性生产等优点被广泛应用于过程工业中，但Q型静态混合器(QSM)内多相流分散混合强化机理不完善制约了其在精细化工和原料药绿色生产中的应用。采用计算流体力学(CFD)耦合群体平衡方程对QSM内相含率α≤5%时液滴分散特性进行数值模拟，分析液液界面张力、动力黏度和相含率对液滴群d32的分散行为的影响。标准旋流静态混合器内的d32数值预测结果与实验结果有良好的一致性。模拟结果表明，在z/l=11.5处不同分散相d32减小73%~96%，RL-90-QSM对不同物性介质的分散混合具有高效性和普适性；在高雷诺数和低相含率下，不同分散相流过z/l=0~2时d32破碎速率最大，在z/l=2.5处d32减小51%~90%，d32随混合时间的增加逐渐减小且在z/l=10后趋于稳定；界面张力对混合结果的影响大于动力黏度。

ARTP选育ε-聚赖氨酸高产菌株及其发酵条件优化

徐祖伟季立豪唐文秀郭亮陈修来刘佳刘立明

过程工程学报. 2022, 22(3): 347-356. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221100

摘要 ( )

PDF (1224KB) ( )

相关文章 | 计量指标

ε-聚赖氨酸(ε-PL)是由25~35个L-赖氨酸单体组成的一种天然聚合物，在食品、医学、农药等领域有很大的应用潜力。目前，微生物法生产ε-PL存在生产强度低、发酵周期长、工艺不稳定等问题。为此，本研究以S.albulus FMME-545为出发菌株，通过常温常压等离子诱变(ARTP)结合核糖体工程选育了一株具有利福霉素抗性的高产菌株S.albulus FMME-545RX，其ε-PL产量达到2.44 g/L，相较于出发菌株提升了105%。为了进一步提高ε-聚赖氨酸的产量，在5 L发酵罐中通过分批补料的方式对碳源的调控策略、pH调控方法、DO控制水平进行了系统的研究。结果表明，采用葡萄糖-蔗糖双碳源调控策略有助于提高菌体代谢强度；在发酵过程中添加柠檬酸钠能有效帮助菌体抵御酸性环境；产物合成所需的最适pH值和DO值分别为3.80和30%。经过192 h的分批补料发酵，ε-PL的产量、生产强度、单位细胞合成能力分别达到了53.0 g/L, 6.63 g/(L?d), 0.88 g/g，相比于原始菌株分别提高了130%, 131%, 118%。上述研究结果为ε-聚赖氨酸工业化生产提供了有益的借鉴。

粉煤灰基土壤调理剂作用下盐碱土壤微观结构变化规律

董少文马淑花初茉王晓辉王月娇刘晨旭韩凤兰

过程工程学报. 2022, 22(3): 357-365. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220371

摘要 ( )

PDF (1636KB) ( )

相关文章 | 计量指标

以宁夏银北地区典型盐碱土壤为研究对象，采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、比表面全自动物理吸附仪(BET)以及扫描电子显微镜(SEM)等测试技术对粉煤灰基土壤调理剂作用下盐碱土壤颗粒微观结构进行研究和系统表征。结果表明，利用调理剂改良后土壤矿物的主要成分未发生改变，但是添加调理剂后土壤有新晶相方解石生成；土壤的pH值大幅降低，由9.01降低到7.66；土壤红外吸收变化较小，Si-O-Si和有机质吸收峰略有增强；随着调理剂的增加，土壤小颗粒开始团聚，孔隙率逐渐增加，以添加2.5wt%组为例，15天后样品孔隙率达到21.30%，30天后样品孔隙率达到25.29%，约为未添加调理剂组的两倍；土壤颗粒的比表面积略有增加，30天后由初始的23.06 m2/g增加到25.55 m2/g。

小桐子壳热解及其挥发性产物特性分析

丁宝平刘慧利李法社

过程工程学报. 2022, 22(3): 366-375. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221053

摘要 ( )

PDF (1741KB) ( )

相关文章 | 计量指标

选用小桐子壳作为原料，采用热重-红外联用(TG-FTIR)和热裂解-气相色谱质谱联用(Py-GC/MS)技术，研究小桐子壳的热解特性以及300~800℃热解过程中产物的组分信息和有机化合物中官能团随温度的变化情况，同时利用Coast-Redfern积分法求解不同升温速率下的动力学参数。结果表明，小桐子壳的热解过程分为干燥(30~100℃)、预热解(100~258℃)、热解(258~420℃)和炭化(420~900℃)四个阶段。随升温速率升高，小桐子壳的最大质量损失率依次增加，升温速率的升高对小桐子壳热分解速率具有促进作用。随热解温度升高，吸收峰处存在明显的强度变化，CO2、醛酮类等化合物的吸收峰强度逐渐降低甚至消失；小桐子壳热解过程中的气体产物成分主要为CO, CO2, H2O等，主要挥发性有机产物为苯酚、羰基化合物、愈创木酚类等，热解温度由400℃升至700℃时，酚类化合物的峰面积比例从35.94%升至59.59%、羰基化合物的峰面积比例从36.90%降到11.87%。小桐子壳热解动力学参数n=1时，其反应表观活化能最大为61.34 kJ/mol，且三个升温速率的拟合相关系数均在98%以上。小桐子壳热解动力学参数n≠1时，选取相关系数最大时的n值为反应级数，则n=0.2，反应活化能E为47.64 kJ/mol，指数前因子A为0.83。随升温速率的升高表观活化能依次递减，且拟合相关系数均在97%以上。

退火气氛中CO₂含量及加热时间对钢坯氧化的影响

曾维冬丁翠娇戴方钦郭悦潘卢伟陈平安

过程工程学报. 2022, 22(3): 376-384. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220297

摘要 ( )

PDF (2670KB) ( )

相关文章 | 计量指标

在热轧加热炉中，燃气热值的波动会带来退火气氛的变化，钢坯在炉停留时间也会受生产节奏变化的影响产生变化，从而造成钢坯氧化难以预测和控制。本工作在1250℃的加热温度及CO2+N2的气氛下进行实验，研究了CO2含量和加热时间对钢坯氧化行为的影响。结果表明，钢坯氧化动力学曲线分为线型和抛物线两个阶段，随着CO2含量的增加，线型阶段缩短，该阶段的氧化增重也减少；在抛物线阶段，抛物线速率常数kp与CO2含量呈对数关系。钢坯表面氧化层分为致密层和疏松层，致密层位于氧化层外侧，由Fe3O4及其还原产物FeO组成；疏松层位于致密层/金属基体之间，由FeO及其先共析产物Fe3O4组成。疏松层存在孔洞，并且CO2含量越高孔洞越多。

磷钼钒酸催化甲基丙烯醛氧化反应机制及过程研究

张晟林于佳元王蕾闫瑞一李春山

过程工程学报. 2022, 22(3): 385-392. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221067

摘要 ( )

PDF (1291KB) ( )

相关文章 | 计量指标

围绕甲基丙烯醛选择性氧化制甲基丙烯酸的反应过程，利用原位红外分析装置研究了甲基丙烯醛在磷钼钒酸催化剂上的原位吸附和反应过程，发现了甲基丙烯醛在杂多酸催化剂桥氧键吸附产生的中间结构，并提出了该催化过程的反应机理。进一步获得了不同温度下反应过程的中间状态，发现钒氧物种由一级结构迁移至二级结构能有效提高催化性能。优化了催化剂预还原温度，250℃下还原3 h后催化剂活性最高。

己二胺与碳酸二乙酯催化羰化合成己二氨基甲酸酯

袁浠焘黄科林王利国贺鹏曹妍徐爽陈家强李会泉

过程工程学报. 2022, 22(3): 393-402. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220438

摘要 ( )

PDF (1657KB) ( )

相关文章 | 计量指标

以碳酸二乙酯(DEC)、1,6-己二胺(HDA)为原料、无水醋酸锰为催化剂，合成了1,6-六亚甲基二氨基甲酸乙酯(HDEC)。通过红外光谱、核磁共振氢谱、气相色谱确定HDEC标样的结构和纯度，并建立了定量分析方法。进一步采用气质联用对反应的主副产物进行定性分析，推测反应路径。同时，对合成工艺进行反应参数优化，并推测反应机理。结果表明，该反应通过两步实现，首先HDA与DEC反应生成单取代的1-(6-氨基)-六亚甲基单氨基甲酸乙酯(HMEC)中间体，HMEC进一步与DEC羰化反应生成HDEC目标产物，同时反应过程中DEC与HDA以及HMEC反应生成脲类副产物。在最佳反应条件原料DEC与HDA摩尔比为3.5:1、反应温度120℃、无水醋酸锰催化剂用量为HAD初始用量的15%、反应时间5 h、转速400 r/min下，HDA转化率为100%，HDEC收率达89.6%。本研究为非光气法合成六亚甲基二异氰酸酯(HDI)重要中间体HDEC提供理论借鉴。

轻质双相高熵合金Al₂₀Li₂₀Mg₁₀Sc₂₀Ti₃₀热力学性质的第一性原理研究

王玮杨锦丁凝陈晓桃唐壁玉

过程工程学报. 2022, 22(3): 403-412. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221086

摘要 ( )

PDF (1617KB) ( )

相关文章 | 计量指标

采用特殊准随机结构(Special Quasi-random Structure, SQS)处理高熵合金固溶体的化学无序性，并基于密度泛函理论研究了具有面心立方(Face-centered Cubic, FCC)和密排六方(Hexagonal Close-packed, HCP)结构的Al20Li20Mg10Sc20Ti30高熵合金的结构稳定性和热力学性质。理论得到的两个相的晶格常数与实验测量值符合较好。两相中，由于HCP相具有较FCC相略大的体模量，因而其具有较好的抗压缩性能。由于计算得到的两个相在0 K时的形成焓都为小的正值，因而两个相都为热力学亚稳结构。采用Debye-Grüneisen模型研究了不同温度下两个相的热力学性质，结果表明两个相的体模量随温度的上升表现出缓慢的下降趋势，且HCP相的体模量大于FCC相，而FCC相具有更大的体积热膨胀系数。研究了两个相的熵(包括振动部分的贡献和电子部分的贡献)随温度的变化，结果表明在研究的温度范围内，HCP相比FCC相具有更大的熵，且两个相的熵的主要来源都为振动部分的贡献。

界面增容剂的结构对PLA/PP共混体系界面状态及性能的影响

樊炳宇王平刘瑾陈鑫亮杨利高尚谢永健王振峰

过程工程学报. 2022, 22(3): 413-420. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221087

摘要 ( )

PDF (5317KB) ( )

相关文章 | 计量指标

通过在聚乳酸(PLA)和聚丙烯(PP)共混体系中分别引入马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH)和甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-GMA)，制备出具有不同结构及性能的共混材料(PLA/PP/POE-g-MAH，PLA/PP/POE-g-GMA)，并采用转矩流变仪、扫描电子显微镜、差示扫描量热仪、平板流变仪及电子万能试验机等研究了不同界面增容剂的结构对PLA/PP共混体系界面状态及性能的影响。结果表明，POE-g-MAH和POE-g-GMA均可改善PLA与PP的相界面形态，但与POE-g-GMA相比，POE-g-MAH的界面催化效率更高，对PLA/PP共混体系增容效果更好，其可诱导PLA与PP在界面处形成微交联结构，增强PLA与PP的界面相互作用，改善材料的机械性能，当添加4wt%的POE-g-MAH时，PLA/PP/POE-g-MAH共混物的拉伸强度达29.7 MPa，断裂伸长率提升至39.3%，较PLA/PP样品提高了8倍；并且共混材料的冲击强度随着POE-g-MAH含量的增加而增加，当其添加量为6wt%时，材料冲击强度达30.1 kJ/m2，材料具有较好的刚韧平衡性。

当期目录