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    2022年 第22卷 第1期    刊出日期:2022-01-28
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    封面和目录 
    过程工程学报. 2022, 22(1):  0. 
    摘要 ( )   PDF (2040KB) ( )  
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    综述
    选矿废水中残留黄药光催化处理及降解效率改进方式研究进展
    梁锐 李明阳 高翔鹏 于先坤 童雄 龙红明
    过程工程学报. 2022, 22(1):  1-13.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220436
    摘要 ( )   PDF (1123KB) ( )  
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    光催化方法降解选矿废水中黄药是一种环境友好型的选矿废水处理工艺,具有操作简单方便、适用范围广、反应条件温和、无二次污染等优点。本工作以黄药为光催化降解对象,综述了近年来相关催化剂的研究进展,主要介绍了光催化剂的研究概况,根据光催化剂材料的差异及其改性方式的不同分类进行说明,其次基于影响光催化降解率的因素总结提出了改善方法,同时对光催化降解黄药的催化剂的设计及工艺开发进行了展望。
    研究论文
    制冷剂充注量对微通道蒸发器换热性能影响的实验研究
    鲁进利 阴婷婷 韩亚芳 刘亚进
    过程工程学报. 2022, 22(1):  14-21.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220342
    摘要 ( )   PDF (1039KB) ( )  
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    以微通道换热器作为柜式空调蒸发器,设计并加工了微通道蒸发器(MCE,扁管和翅片均为铝材),搭建实验测试系统。研究了三种入口形式(Z-Inlet, Y-Inlet, U-Inlet)、五种制冷剂充注量(800~1600 g)下微通道蒸发器的表面温度分布、制冷量(Q)、输入功率(Pin)和能效比(EER),并与管翅式换热器(FTE,铜管-铝翅片)进行对比分析。结果表明,Z-Inlet形式MCE内部制冷剂行程基本相同,流量分配较均匀,其表面温度分布比较均匀,换热效果最佳;Z-Inlet形式MCE的制冷量和EER最高,与另外两种形式相比,制冷量和EER最高分别提高了8.8%和5.7%;MCE的制冷量和EER比FTE大,制冷量平均超出了11%,最高达13.3% (约600 W),EER平均提升了9.36%,最大约为12.4%;此外MCE的EER达到峰值对应的制冷剂充注量与FTE相比减少了200 g。
    高低并列式重油催化裂化汽提器挡板的结构优化
    刘彪 姚秀颖 孟振亮 刘梦溪
    过程工程学报. 2022, 22(1):  22-31.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220397
    摘要 ( )   PDF (2288KB) ( )  
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    催化裂化汽提器的汽提效果对装置产品收率、能耗和长周期平稳高效运行有重要影响。高效的汽提器不仅可以提高轻质油品的收率、改善产品分布,更能降低再生器的烧焦负荷、减少催化剂的水热失活。当前常用的汽提器主要呈现两种结构形式,其一为填料结构汽提器,该汽提器空间利用率和汽提效率很高,但填料容易被焦块堵塞,不易清理,因而不适宜于重油催化裂化装置;另一种汽提器为挡板结构汽提器,该汽提器结构简单、汽提效率高、运行周期长,应用非常广泛。开孔挡板结构汽提器作为挡板结构汽提器中应用最广一种,其挡板区内气固流动特征及流场分布特点目前还研究较少,同时受实验条件和测量方法的限制,工业尺度开孔挡板结构汽提器更是鲜有研究报道。本研究将运用双流体模型结合分段曳力模型对一套工业规模催化裂化装置的锥环形挡板汽提器进行模拟,考察其流场特点和气固流体力学行为。发现模拟所得床层密度与工业实测值能较好吻合。模拟结果表明:挡板区内蒸汽并不严格呈“S”形穿过各块挡板向上流动,相邻环形挡板0.85<r/R<1的区域及相邻锥形挡板0.35<r/R<0.5的区域存在明显的气相短路现象,导致挡板上方催化剂浓度的径向分布很不均匀;同一块挡板上各排小孔蒸汽通量Qi/Ai随小孔高度的降低而减少,这是挡板区出现气体短路的重要原因;采用能使蒸汽合理分配的挡板结构后,挡板区蒸汽短路现象减弱,挡板上方催化剂分布趋于均匀,流化效果及气固接触改善。
    洗涤冷却室气液两相流的模拟及结构优化
    刘洋 郭中山 赵元琪 管小平 杨宁
    过程工程学报. 2022, 22(1):  32-40.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221040
    摘要 ( )   PDF (3158KB) ( )  
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    洗涤冷却室是激冷式煤气化炉的重要组成部分,对气化室内生成的高温合成气进行降温及洗涤。目前的洗涤冷却室在工业上依然存在诸多问题,如液位及压力波动较大、装置运行不稳定、洗涤效率不够高等,需要对其结构进行优化改进。采用三维欧拉-欧拉模型对三种不同结构的洗涤冷却室进行了CFD模拟。三种洗涤冷却室的结构分别为无内构件、含有支管内构件及新型耦合支管与导流筒内构件。与文献实验数据的对比表明,模型能较准确地预测洗涤冷却室内的气含率分布。支管的加入分流了部分气量,使部分气体能够从鼓泡区域中心上升,促进了气体的径向扩散,有助于维持装置的稳定运行;而导流筒内构件的加入增大了支管气体分流的比例,提升了洗涤冷却室液面下的全局气含率,增强了气液回流,从而进一步强化洗涤效果。
    平面激波诱导斜界面失稳的大涡模拟
    管永康 刘仪 章利特
    过程工程学报. 2022, 22(1):  41-49.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221057
    摘要 ( )   PDF (1212KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    近年来国内外学者从多个角度深入地研究了经典平面激波与相界面之间的相互作用规律,但针对平面激波与气-液斜界面的研究仍不够系统和全面,探究平面激波驱动气-液斜界面失稳过程的演化规律在超声速燃烧和惯性约束聚变等工程应用中具有重要的实际意义。本工作结合VOF模型和大涡数值模拟方法,研究了平面激波诱导气-液两相斜界面变形和湍流混合的现象,分析了入射激波马赫数、入射激波初始倾角和斜界面倾角等因素对界面失稳的影响规律。结果表明,入射激波马赫数大小是界面失稳现象发展的主要影响因素,增大激波马赫数可明显地增强界面变形和湍流混合现象的发展程度。入射激波初始倾角和斜界面倾角对界面失稳发展也有一定影响。随着入射激波和斜界面倾角增大,相同时刻时的湍流混合区宽度相应增加。
    不同油气参数下SVQS系统内颗粒浓度场的模拟
    张智亮 陈海军 陈涛 牟沛 李安军 李文军
    过程工程学报. 2022, 22(1):  50-61.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221092
    摘要 ( )   PDF (2395KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    为研究提升管出口旋流快分(SVQS)系统中催化剂颗粒的运动规律与浓度分布特征,对不同油气参数下SVQS系统的气固分离进行了数值流动模拟,从粒径、浓度分布和颗粒返混三个方面进行了分析。结果表明,在入口浓度一定的情况下,油气密度越大或黏度越小,封闭罩壁面处颗粒浓度越大,呈螺旋状分布的细带带宽和螺距不同;在隔流筒盖板处有颗粒大量聚集,并形成具有周期脱落特点的颗粒环带;隔流筒底部出现的“短路流”现象,削弱了SVQS系统的分离性能;不同粒径的颗粒下行时始终处于螺旋分层排列状态,且SVQS系统对直径为0.013 mm以下的细小颗粒的分离性能较弱。油气密度越大或黏度越小,颗粒间的跟随性更佳,浓度分布更均匀,SVQS系统对中、细颗粒的捕捉能力变强。SVQS系统中存在颗粒返混现象,且随油气密度增大或黏度减小而削弱。削弱颗粒返混、抑制颗粒高峰是提高该系统分离性能的重要方式。
    Sb在高硅铝硅合金电磁分离过程中的变质行为
    杨雄东 王均鹏 马文会 吕国强 邢爱民
    过程工程学报. 2022, 22(1):  62-71.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220401
    摘要 ( )   PDF (10939KB) ( )  
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    研究了高硅铝硅合金(45wt% Si)熔体电磁分离过程中,Sb添加量、下拉速率、温度等对分离效果的影响,对Sb在高硅铝硅合金电磁分离过程中的变质机理进行了分析。结果表明,在1500℃、下拉速率为10 μm/s时,过共晶铝硅合金熔体中加入Sb进行定向凝固后,合金部分硅铝比从11.53%降至11.21%,初晶硅富集区的硅含量从86wt%增至90wt%;当1500℃、下拉速率为40 μm/s时,合金部分硅铝比从12.56%降至12.13%,初晶硅富集区的硅含量从81wt%增至86.5wt%;加入变质剂后合金部分共晶硅相在α-Al基体中分布均匀且连续,形貌有所细化。
    ZrO2包覆对层状氧化物正极材料储钠性能的改善
    孙阳 王红 车海英 廖小珍 李林森 崔桂嘉 杨为民 马紫峰
    过程工程学报. 2022, 22(1):  72-78.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220379
    摘要 ( )   PDF (1434KB) ( )  
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    层状氧化物正极材料具有良好的结构稳定性和较高的充放电比容量,是一类理想的钠离子电池正极材料。本工作研究了层状氧化物正极材料NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2表面修饰对其电化学性能的影响,采用固相球磨法在正极材料表面包覆一层纳米ZrO2,采用形貌、结构、电化学方法等研究了包覆后性能改进机理。研究结果表明,ZrO2在NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2表面形成一层惰性保护层,有效隔开了电解液与正极材料的接触,缓解了电解液的分解速度,抑制了金属离子的溶出速度,从而显著改善了电池的循环性能以及高温性能。在ZrO2包覆修饰后,55℃下正极材料相比于未包覆的正极材料有明显提升,100次循环后容量保持率达到83.6%,高于未包覆的75.2%。此外,包覆后的NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料在空气环境存储后,稳定性得到明显提高。
    莫来石-刚玉催化剂载体制备及其性能研究
    杨建林 赵璐 马淑花 王晓辉 王月娇
    过程工程学报. 2022, 22(1):  79-88.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220381
    摘要 ( )   PDF (1246KB) ( )  
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    以我国特色高铝粉煤灰为原料,采用酸-碱联合法制备莫来石-刚玉催化剂载体,利用比表面积全自动物理吸附仪(BET)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-OES)等系列表征手段进行了深入分析。结果表明,采用酸-碱联合法制备工艺,即首先在硫酸浓度为1.5 mol/L,反应温度为85℃,液固比为7,反应时间90 min;随后在NaOH浓度为200 g/L、反应温度为95℃、液固比15、反应时间150 min条件下预处理粉煤灰,二氧化硅的脱除率达到58.51%,非晶态二氧化硅脱除率为83.49%。所获得的以莫来石和刚玉为主要成分的催化剂载体具有较高的比表面积和吸水率,分别为39.35 m2/g和70.01%。耐热温度达到1100℃,颗粒大小在20~50 μm之间,呈由短棒相互黏结在一起的多孔球形结构。X射线衍射表征结果显示,载体矿物相只有莫来石和刚玉,表明具有较好的化学稳定性和机械强度。孔分布分析结果表明,催化剂载体具有较宽的孔径分布,孔大小主要集中在约10 nm。
    单宁酸?多巴胺涂覆制备染料分离用纳滤膜
    江琴 刘子瑜 赵濉
    过程工程学报. 2022, 22(1):  89-96.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221041
    摘要 ( )   PDF (3445KB) ( )  
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    通过单宁酸及聚多巴胺涂覆,制备了单宁酸(TA)-聚偏氟乙烯(PVDF)纳滤膜,同时评价了改性膜对刚果红、伊文思蓝、活性嫩黄等染料的分离性能。结果表明,改性后膜表面粗糙度略微增大,亲水性明显增强。同时,改性膜具有水下超疏油的性质,能够完全抵抗水下油污的污染。2wt% TA-PVDF纳滤膜对多种染料的截留率能达到96.5%以上,且对刚果红、伊文思蓝、活性嫩黄等染料的截留通量都超过65.7 L/(m2?h?bar)。另外,改性膜在染料分离时截留通量基本不变,稳定性较强,在工业染料废水处理方面有一定的应用前景。
    以葡萄糖为原料结合生物发酵与化学合成制备酮泛解酸
    姚尧 卢希阳 舒琳 王卿惠 孙少琦 郝健
    过程工程学报. 2022, 22(1):  97-107.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221036
    摘要 ( )   PDF (1822KB) ( )  
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    D-泛酸(维生素B5)是一种重要的维生素,在饲料、化妆品和制药行业均有广阔的市场。酮泛解酸是泛酸生物合成途径的中间体,易内酯化为酮基泛解酸内酯,后者可立体选择性地转化为D-泛解酸,并进一步用于D-泛酸的生产。本工作提供了一种采用α-酮基异戊酸与甲醛经羟醛反应合成酮泛解酸的新方法。其中,反应物α-酮基异戊酸可由葡萄糖原料经发酵法生产。结果表明,以葡萄糖为碳源,经克雷伯氏肺炎杆菌发酵能高水平生产D-泛酸生物合成途径的关键前体—α-酮基异戊酸。采用商品α-酮基异戊酸开发一种新型的酮泛解酸合成方法;分析合成反应机理,确定总反应级数为1.87;经条件优化确定酮泛解酸合成反应的最佳pH=13,最佳温度为45℃,此条件下酮泛解酸转化率达83.5%。调节酮泛解酸溶液pH至强酸性,有助于其内酯化合成酮基泛解酸内酯。之后采用前述优化的方法,由流加发酵制备的25.2 g/L α-酮基异戊酸合成酮泛解酸19.9 g/L。最后通过异丁醇萃取、活性炭脱色、浓缩结晶方法进行产物提纯,调节酮基泛解酸内酯溶液pH在7~10范围内可使其开环转化回酮泛解酸。最终得到酮泛解酸及其内酯的纯品。本研究建立了以葡萄糖为原料通过α-酮基异戊酸中间体生产酮泛解酸的方法。该方法结合生物发酵和化学合成过程,采用廉价原料,具有绿色高效的特点,有望用于工业化生产泛酸。
    二次铝灰硫酸铵焙烧提铝过程氟的迁移规律
    雷炳宏 刘宏辉 张笛 董玉明 张红玲 娄太平 徐红彬
    过程工程学报. 2022, 22(1):  108-117.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220402
    摘要 ( )   PDF (3204KB) ( )  
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    采用硫酸铵焙烧-水浸法回收二次铝灰中的铝是实现其无害化与资源化最重要的途径之一。二次铝灰的无害化与资源化利用要求尾渣氟的浸出毒性满足国标要求(无机氟化物质量浓度低于100 mg/L)。二次铝灰中氟的浸出毒性远高于100 mg/L,故需深入研究二次铝灰硫酸铵焙烧-水浸提铝过程氟的迁移规律。借助复合氟离子电极、XRD、XPS、SEM和XRF研究了二次铝灰硫酸铵焙烧-水浸提铝过程氟的迁移转化行为。结果表明,延长焙烧时间、提高焙烧温度、增大硫酸铵配比可促进二次铝灰中的氟进入焙烧尾气;延长浸出时间、提高浸出温度、增大液固比有利于降低浸出渣中氟的含量和占比。在焙烧温度450℃、焙烧时间2 h、物料配比6:1、浸出温度85℃、浸出时间80 min、液固比6:1条件下,二次铝灰中43.85%的氟以气态形式进入尾气,23.92%的氟进入浸出液中,32.23%的氟以AlF3和AlF3?3H2O形式残留在浸出渣中。焙烧尾气经脱氟、喷淋吸收,可转化为硫酸铵;浸出液脱氟后可制备聚合硫酸铝,用作水处理剂;浸出渣的浸出毒性符合国家标准,可用作建筑材料,从而实现二次铝灰的资源化与无害化处理。
    含盐蒙脱石中甲烷水合物的生成/分解特性及离子分布研究
    陈浩 徐则林 颜克凤 李小森 陈朝阳 李刚 徐纯刚
    过程工程学报. 2022, 22(1):  118-126.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221044
    摘要 ( )   PDF (10051KB) ( )  
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    目前,天然气水合物成藏和开采是新能源开发应用的热点,但海域沉积物中天然气水合物的形成/分解特性,及盐离子对水合物稳定性的影响等关键问题亟待解决。利用天然气水合物原位取样技术对甲烷水合物在含盐多孔介质中生成和分解过程进行原位扫描电镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)测试和能谱分析(Energy Dispersive Spectrometry, EDS),系统研究了含0.5 mol/L NaCl溶液的蒙脱石中甲烷水合物生成、分解过程中形貌的变化及离子分布特征。研究发现水合物生成和分解过程元素分布发生明显改变,水合物生成的排盐效应使得NaCl在水合物颗粒与颗粒交结处以水合盐离子的形成存在,并且Na+和Cl-在蒙脱石表面分层排布。水合物生成后蒙脱石表面呈独立颗粒状,水合物分解后蒙脱石表面凹陷并形成微小的气体通道,并且水合物分解后蒙脱石的骨架堆积结构发生改变。研究得出水合物成核、生长、分解过程均在特定基元颗粒间是独立进行的,并且生长与分解过程与水合物晶胞结构有关。
    基于全过程污染控制策略的钢铁工业园区水网络全局优化
    赵月红 谢勇冰 曹宏斌 温浩
    过程工程学报. 2022, 22(1):  127-134.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220373
    摘要 ( )   PDF (715KB) ( )  
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    作为典型的高耗水工业,节水减排是我国钢铁工业可持续发展亟须解决的关键问题之一。本研究基于全过程污染控制策略,提出了面向钢铁工业园区水网络特点的多尺度优化建模方法,充分考虑了钢铁园区涉水单元-工序水网络-园区水网络等不同尺度水系统的用排水特点及相互作用,有助于进一步发掘园区节水减排新空间。在此基础上建立了园区水网络全局优化模型,利用数学规划方法来探索综合用水成本最低的园区水网络优化方案。一年产能为500万吨钢材的钢铁工业园区水网络优化案例研究表明,采用全过程污染控制策略的钢铁园区水网络全局优化方案,综合用水成本、新水用量及新水成本占比等用水指标与其他采用局部水污染控制技术的方案相比有较大幅度的降低,与园区现用水指标相比,各指标均降低20%以上。案例研究表明所提出的园区水网络优化模型可行有效,优化结果对于钢铁园区水污染控制技术的集成和水网络全局优化方案的精准确定具有重要的参考价值。
    基于极深因子分解机的化工过程故障诊断方法
    何亚东 袁壮 林扬 高新江 李传坤 王春利
    过程工程学报. 2022, 22(1):  135-144.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221071
    摘要 ( )   PDF (1290KB) ( )  
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    近年来,随着化学工艺、设备的复杂化和大型化程度不断深入,如何为化工企业及时、准确地诊断故障、排除事故,成为一个极具挑战性的问题。目前,以深度学习为代表的化工过程故障检测与诊断技术成为业界解决问题的主要思路之一,但现有深度方法在构建诊断模型时只关注了变量的非线性高阶特征,不能充分、全面地挖掘多源交互信息,难以有效地融合各类异构数据。基于此,提出一种基于极深因子分解机的化工过程故障诊断方法,通过并行融合三类不同网络模型(分解机模型、深度神经网络模型、压缩交互网络模型),实现对高阶、低阶及线性特征的自动提取和高效整合。为了评估模型性能,从单故障诊断和多故障混合诊断的角度出发,在田纳西-伊斯曼过程(TE)仿真数据集上进行了广泛的对比实验,结果表明,所提方法较以往故障诊断方法在精确率和召回率等指标上具有明显优势。