过程工程学报

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过程工程学报. 2022, 22(9): 0.

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电极上气泡分离行为及其强化技术研究进展

林纬王章伟汪威李吉敏郭紫芯向晋邱心缘詹宏阳喻九阳

过程工程学报. 2022, 22(9): 1147-1158. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221283

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电解水作为大规模生产氢气的途径，增强电解水效率对于氢能源的生产具有十分重要的意义。而如何提高电解水工艺的电解效率是一个被广泛关注的问题。在电解过程中，电极两端产生的气体有三种去向：逸出电解槽、溶解于电解质中、附着在电极上。但在电解过程中，附着在电极上的气泡会严重影响电极与电解质之间的接触面积，直接降低了电解效率。降低气泡在电极上的停留时间能够有效增加电解质与电极的接触时间，提高产氢效率。本工作主要综述了近年来促进电解过程中极板上氢氧气泡从电极分离行为的研究，分别从极板属性、电流、溶液浓度和外加物理场这几个方面对气泡成核、生长、聚结和分离行为进行了具体的归纳总结，讨论了各种强化气泡分离方法的特点，并展望了未来的发展方向和路线，为未来的电解气泡脱离技术的研究提供参考。

低温等离子体在电化学储能器件表面修饰的应用

王政德高凯雄张斌

过程工程学报. 2022, 22(9): 1159-1168. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221355

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面对日益严峻的能源危机和环境污染，人类社会需减少化石燃料使用，发展新能源。以锂离子电池为代表的二次电池作为新能源存储设备在生活中得到了广泛应用。然而，在充放电过程中，以电极材料为代表的电化学储能器件面临体积膨胀、活性物质溶解等问题，影响二次电池的电容量和安全性。对电化学储能器件进行合理的表面修饰是改善上述问题的关键。等离子体具有高活性，可以有效抑制电极材料表面活性物质溶解、避免副反应的发生，提高二次电池的循环寿命和放电容量。本工作对等离子体技术，特别是低温等离子体进行了介绍，并总结了低温等离子体技术在电化学储能器件表面修饰中的最新进展，重点介绍了其在先进电极材料表面的应用，最后讨论了等离子体方法优点，并对其未来面临的挑战和应用进行了展望。

二氧化钛基复合材料对常见染料的去除性能及其机理研究进展

赵晓腾周新涛罗中秋韦宇兰雄陆艳

过程工程学报. 2022, 22(9): 1169-1180. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221247

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二氧化钛(TiO2)具有比表面积大、孔隙结构丰富、性质稳定、制造成本低且无毒等特点，可作为吸附剂和光催化剂用于吸附处理含重金属、有机染料等污染物的废水。本工作通过对TiO2吸附废水中常见有机染料影响因素进行综合分析，综述了不同影响因素对吸附效果的影响，并讨论了复合改性、掺杂改性以及有机溶液改性等方式对TiO2吸附染料性能的影响，文献表明通过改性手段可丰富TiO2的孔隙结构，提高TiO2基吸附材料的比表面积，增加其表面的活性位点，进而改善其吸附性能。吸附动力学和热力学数据分析表明，TiO2吸附废水中有机染料过程中动力学主要遵循准二级动力学模型，热力学符合Langmuir模型单分子层吸附或Freundlich模型。其吸附机理主要包括静电吸引、n-π堆积相互作用、氢键等。TiO2体系作为吸附剂吸附处理废水中的染料分子，具有高效、环保、绿色经济的优势，可在今后的废水处理领域中起到至关重要的作用，可以作为一种具备广阔应用前景的绿色材料而展开研究。

双分散颗粒湍动床反应器的多尺度模拟及细粉夹带优化

段宏霖杜承哲鲁波娜许友好王维周建文徐莉谢英鹏

过程工程学报. 2022, 22(9): 1181-1191. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221420

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S-zorb吸附脱硫工艺技术是生产超低硫含量汽油的关键技术。目前，S-zorb湍动床反应器内的细粉夹带严重，容易堵塞其顶部过滤器，是影响反应器使用寿命和工艺流程运行周期的主要原因。因此，深入研究其反应器内的吸附剂颗粒和细粉颗粒的运动行为对优化反应器和提升工艺运行效率非常重要。本研究采用多尺度计算流体力学方法对双分散颗粒S-zorb湍动床反应器进行了模拟研究，考察了减少细粉夹带的优化方案。首先，比较了不同非均匀EMMS-bubbling曳力模型和EMMS-ANN模型对双分散颗粒运动行为的影响，发现采用上述两个模型都能合理预测吸附剂颗粒的流动行为和浓度分布，但EMMS-ANN模型对细粉颗粒的夹带量预测与工厂实验值的偏差大于前者。考察了一系列设计改造方案对减少细粉夹带的影响，结果表明，适当增大沉降段圆柱高度和半径以及增设固相出口横管都有助于减少细粉夹带，其中在反应区和沉降段之间的过渡区增设固相出口横管以及增大沉降段半径的方案对减少细粉夹带最有效。研究结果将有助于S-zorb工艺的进一步优化和升级。

鼓泡塔细胞反应器流体力学与传质特性

徐胜楠刘宏斐李雪良堵国成陈坚

过程工程学报. 2022, 22(9): 1192-1202. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221364

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以超大规模细胞培养为目的，构建了与细胞培养体系十分接近的冷模实验体系，系统地研究了微载体(Cytodex I)、细胞保护剂(Pluronic F68)和消泡剂(Antifoam C)对鼓泡塔反应器中气、固、液三相流流体力学和氧传质特性的影响。在0.04~0.17 cm/s表观气速范围内采用50 μm孔径的烧结金属滤芯曝气时，在含有0.5和1.0 g/L的Pluronic F68的磷酸盐缓冲溶液冷模体系中，气含率与表观气速成线性增加关系，而气泡直径受表观气速影响较小；相同气速下的冷模体系与空气-水体系相比，气含率显著提高，气泡直径明显减小。在所研究的表观气速范围内微载体均可全悬浮，对气含率有一定增强，但微载体浓度为14%~20%时对气泡大小几乎无影响。消泡剂用量在1.60×10-4时，可以有效抑制泡沫的形成。添加剂对液膜传质系数kL有较大负面作用，抵消了小气泡带来的传质面积增加，总的体积传质系数kLa变化不大。Euler-Euler多相流计算流体力学模型与拟稳态实验数据吻合较好，可用于指导反应器放大设计。

新型热解炉燃烧室流热固耦合仿真与结构优化

高华鑫刘雪东张炜查晓峰吕圣男刘佳君吕开新

过程工程学报. 2022, 22(9): 1203-1212. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221331

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针对新型热解炉燃烧室结构，采用ANSYS Workbench流热固耦合方法，研究不同结构参数下燃烧室的温度场与变形场，获得了最优的燃烧室结构。结果表明，燃烧室内设挡板的结构性能优于无挡板的结构性能，燃烧室内设挡板的温度场变异系数的变化幅度比无挡板的变化幅度减小0.06，温度场分布更均匀；燃烧室的最大变形出现在燃烧室与热解室之间的隔板上，有挡板的燃烧室最大变形量较无挡板的燃烧室减少80%，且最大变形量均随着挡板位置距中心的距离或挡板长度增加呈先减小后增大的趋势，而挡板厚度对变形场的影响最小；在挡板位置为150 mm，挡板长度为800 mm，挡板厚度为14 mm时，新型热解炉燃烧室的结构最优。

机械搅拌驱动下三维空间混合效果实时测量及表征

苏俞真李金蔓李泽西高帅桑秀丽陈刚徐建新

过程工程学报. 2022, 22(9): 1213-1223. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221328

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为精确实时测量机械搅拌驱动下三维空间多相混合效果，提出了一种三维空间的混合效果精确测量方法，通过类比势能的概念，计算总体平均质量度量Q来表征混合效果，以克服颗粒重叠二维点集伪均匀性度量的片面性。对三维空间混合效果精确测量方法进行了实验验证，计算了总体平均质量度量Q，用以表征颗粒分布的均匀性；分析了电机转速与红色小球相对运动速度均值关系。结果表明，不同转速和变频对示踪颗粒相对运动速度变化有明显的影响；特别是对二维与三维混合均匀性进行了比较，二维的混合均匀度测量方法计算结果明显不够精准，存在较大偏差，比三维的平均偏差高75%，三维空间混合均匀度测量方法计算结果更能反映出真实的混合效果；比较了中心化偏差(CD)和可卷偏差(WD)两种常用的混合均匀性测量方法，CD和WD方法对混合均匀性的表征均存在失效的情况，进一步验证了本方法的可行性以及准确性。

磷石膏颗粒湍动流化特性实验及模拟

田玉龙杨秀山孔行健许德华张志业

过程工程学报. 2022, 22(9): 1224-1231. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221350

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针对磷石膏颗粒湍动流化体系曳力变化的问题，在实验的基础上，考虑非均匀结构对曳力的影响，引入修正因子φ修正Gidaspow曳力模型，对2D流化床进行了数值模拟研究。通过将Gidaspow模型在不同φ值下的模拟结果与实验结果进行对比，研究φ值的改变对模拟结果的影响规律及一定气速范围内磷石膏颗粒湍动流化体系曳力变化特性。结果表明，Gidaspow模型高估了实验体系曳力，对体系流化特性的预测效果较差；适当φ值的引入能明显提高Gidaspow模型对床层膨胀、压降及体系非均匀度的模拟精度。模拟结果反映出φ值越小，床层膨胀高度越低，床内颗粒浓度分布越不均匀，床层压降波动性越大。随着气速的升高(0.144~0.240 m/s)，颗粒沿水平方向上的聚集程度加剧，φ值呈非线性减小(0.31~0.24)。流化体系的非均匀度随着气速增加而增大，颗粒浓度沿径向存在较大梯度，两侧边壁处附近出现环-核结构且流场分布对称性较差。

颗粒形状对包衣设备内药片颗粒运动特性影响的数值模拟

熊桂龙苏文康王安奇王一泽

过程工程学报. 2022, 22(9): 1232-1243. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221329

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为研究颗粒形状对包衣设备内药片颗粒运动特性的影响，基于离散单元法及自行编写的喷雾区颗粒检测算法，采用数值模拟的方法对五种不同形状(棒状、长椭球、扁椭球、双凸形和球形)的药片颗粒在包衣设备内的运动行为规律进行了研究。分析了颗粒形状对颗粒系统的能量、床面颗粒平动速度、颗粒温度及颗粒流在喷雾区域停留时间的分布及其相对标准差的影响。结果表明，颗粒形状对颗粒的平均动能、颗粒床面速度、颗粒温度、喷雾区域停留时间分布及颗粒间包衣均匀性有重要影响。除双凸形颗粒系统外，对于其他四种形状的颗粒系统，随着颗粒球形度增大，颗粒系统具有的动能、床面速度和颗粒温度均呈减小趋势。除棒状颗粒系统外，对于其余四种形状的颗粒系统，随着颗粒球形度增大，颗粒系统在包衣喷雾区域内平均停留时间减小，平均停留时间的相对标准差增大，包衣均匀性变差。与球形颗粒系统相比，非球形颗粒系统的包衣均匀性更好；药片颗粒形状对包衣设备内颗粒运动特性及颗粒之间的包衣均匀性有重要影响。

撞击流反应器流场数值模拟及其混合性能优化

张建伟牛聚超董鑫冯颖

过程工程学报. 2022, 22(9): 1244-1252. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221336

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利用数值模拟方法分析多喷嘴对称撞击流反应器内部流场以优化反应器结构。研究不同喷嘴数和进料条件对撞击流反应器内速度场、湍流特性及混合效果的影响。结果表明，不同喷嘴数撞击流反应器内流速分布为双峰型，等流速工况下速度梯度随喷嘴数增加而减小，高剪切力分布范围随喷嘴数增加先增大后减小。通过分析湍流尺度分布发现小尺度涡旋主要集中在撞击区，而大尺度涡旋主要集中在发展区，且四喷嘴撞击流反应器平均剪切应力及涡旋尺寸梯度最大，四喷嘴结构更有利于增强流体湍动强度并强化混合。撞击流反应器内平均湍动能随喷嘴数增加先增大后减小，其中四喷嘴撞击流反应器内平均湍动能最大。当撞击流反应器为四喷嘴结构时，其混合效果最好，完全混合时间最短为22 s。在本研究工况内四喷嘴结构为撞击流反应器混合的最优结构。

平面防冲挡板式分离器冲击区非稳态湍流特性

王学平付俊杰张玉辉龚斌

过程工程学报. 2022, 22(9): 1253-1261. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221310

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为了获得较好的液液重力分离器沉降区流场，需要对初始进入的流体进行整流，使其进入分离区前流动平稳均匀。为此将平面防冲挡板改进为整高度矩形挡板，并采用VOF多相流模型对矩形截面分离器冲击区流动特性进行分析。考察了冲击区的喷嘴入口直径(d)、入口至防冲挡板间距(lb)、防冲挡板的宽度(w0)对挡板处和折流板处的速度相对不均匀度(Mf)及平均湍流强度(Iave)的影响。结果表明，综合考虑速度相对不均匀度Mf和平均湍流强度Iave，入口直径取d/w≥0.16较有利(w为沉降器宽度的二分之一)；防冲挡板至入口间距的较佳取值范围为lb/w=0.33~0.53；防冲挡板宽度w0/w≥0.27时效果较好。对折流板处均匀度与湍流强度分别归一化后的相关数值进行统计分析，在分析加权前后的总区间变化率时应优先考虑d/w区间。在d/w区间挡板处与折流板处的湍流强度与均匀度都有较好的线性相关性，随着均匀度增加，湍流强度增加。

高铝粉煤灰负载锰基催化剂的催化氧化NO性能研究

王义源马淑花王晓辉欧彦君高利珍

过程工程学报. 2022, 22(9): 1262-1270. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221416

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氮氧化物催化氧化是烟气脱硝技术的一个重要发展方向。本工作以具有球形镂空结构的预处理后高铝粉煤灰为载体，以硝酸锰为活性组分源，采用溶胶凝胶法制备锰基NO氧化催化剂，采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、N2物理吸附、H2程序升温还原分析仪(H2-TPR)和X射线光电子能谱(XPS)等分析测试手段对催化剂的NO催化氧化性能进行深入研究。结果表明，载体粒径、锰负载量、硝酸锰凝胶煅烧温度以及NO催化氧化温度对催化剂催化活性均有较大影响。当载体粒径在100~200目(150~75 μm)、锰负载量为8wt%、硝酸锰凝胶煅烧温度为500℃、NO催化氧化温度290℃时，NO催化氧化效果最好，氧化率达到77.8%。SEM结果显示，溶胶凝胶法制备的氧化锰粒子在100~200 nm，且相对均匀负载在载体上。N2-物理吸附表明，催化剂的孔结构主要为介孔，并呈现H3型回滞环。锰基催化剂上化学吸附氧Oβ的占比和Mn4+浓度随着锰负载量的增加先增大后减小，此趋势与NO催化性能变化趋势一致，表明Oβ和Mn4+是影响NO催化氧化效果的决定因素。

钼酸铵生产流程中含钾矿物的释钾机理研究

刘起航田顺治杨双平王利东何凯

过程工程学报. 2022, 22(9): 1271-1278. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221368

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钾在钼酸铵及后续钼产品中作为一种有害元素，通常希望其含量越低越好。本工作通过模拟不同实验条件对水洗降钾的影响，用ICP、分光光度计及SEM-EDS等传统物相检测方法对钼酸铵生产流程中各阶段矿物进行定性分析，并结合先进的自动矿物参数分析系统(MLA)进行定量分析，得出提高水洗温度、细磨钼焙砂和添加Na2CO3可提高水洗降钾效果。实验数据和热力学分析结果进一步表明，在钼精矿焙烧过程中云母会生成正长石和钡铁云母，在此基础上进一步分析了不同含钾矿物的释钾行为，得出4种含钾矿物进入钼酸铵产品的难易程度为：正长石>云母>钡铁云母>伊利石。研究结果对低钾钼产品的生产及其应用具有重要意义。

Na₂O/SiO₂比对脱铜阳极泥卡尔多炉还原熔炼渣结构和性能的影响

张笑天崔雅茹王国华杨泽赵俊学王泽胡爱琳

过程工程学报. 2022, 22(9): 1279-1286. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221314

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卡尔多炉熔炼是目前火法处理脱铜阳极泥的重要工艺之一。针对国内某企业脱铜阳极泥卡尔多炉还原熔炼中渣熔化性能差、渣含贵金属损失大等问题，本工作利用热力学分析以及炉渣物性检测，结合XRD、拉曼光谱等结构表征手段，开展了脱铜阳极泥卡尔多炉还原熔炼渣钠硅比调控优化研究。根据PbO-Na2O-SiO2-BaO四元体系液相区图及性能测定结果，在不改变渣率及熔剂添加总量前提下，适当提高Na2O/SiO2比可有效降低炉渣熔点和黏度；随着还原熔炼渣Na2O/SiO2比由0.42提高至0.60，由于Na2O的网络修饰剂作用，更多的桥氧转变为非桥氧，炉渣结构由Si2O76-硅酸盐二聚体结构为主，向SiO44-硅酸盐四面体结构过渡，其中的Si2O64-链状结构与Si2O52-片状结构也相应减少，含铅硅酸盐聚合度降低，桥氧Qn分析结果与熔渣硅酸盐结构相契合。同时，提高钠硅比后，炉渣熔化温度从1178℃降至950℃，在1100℃冶炼温度下，还原熔炼渣黏度可降低45.2%，流动性得到显著改善，从宏观角度也验证了熔渣结构变化规律。结果表明，对脱铜阳极泥卡尔多炉还原熔炼，通过调控炉渣Na2O/SiO2比来降低桥氧数及复杂阴离子聚合度，从而改善炉渣物化性能的思路是可行的。

LNG槽车瞬态泄漏特性及事故后果研究

门金龙纪红兵蔡冲冲熊碧波

过程工程学报. 2022, 22(9): 1287-1296. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221312

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我国每年危化品道路运输量占总货运量的30%以上，运输安全事故发生率居高不下。通过构建槽车泄漏事故，针对液相泄漏经典模型对于瞬态研究的局限性，结合罐内气体状态方程和复合积分法改进泄漏模型，研究了卧罐泄漏速率与时间耦合关系。结果表明，泄漏速率随时间推移呈二阶指数衰减关系，利用泄漏速率函数与时间叠加修正高斯模型，将修正后的关系运用到火灾爆炸事故后果计算中，得出泄漏最远距离为37.5 m，喷射火和沸腾液体扩展蒸汽爆炸(Boiling Liquid Expand Vapor Explosion, BLEVE)分别造成15和298 m内人员致死率达37%，蒸气云爆炸15 m内人员致死率为1%。利用Fluent和Aloha模型验证了模型精度，可为危险液体储罐泄漏定量风险评价和突发事件事前预判提供理论依据。

油水分离膜表面结构可控合成及性能研究

王瑶曾子康李秋雯刘敏庞雨竹张成富梁玉军韩永生

过程工程学报. 2022, 22(9): 1297-1304. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221342

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石油开采过程中会产生大量的油水混合物，每天生产生活中也会产生大量含油废水，如何处理这些油水混合物，是环境保护和可持续发展的重大需求。针对含油量较高的油水混合物，本工作制备了疏水-超亲油分离膜。以机械性能较好的泡沫镍为过滤基体，采用电沉积方法，在泡沫镍表面沉积铜颗粒，构筑亲油疏水表面。研究了沉积电位和沉积时间对表面结构的影响，并测试了分离膜表面结构、表面粗糙度及水滴在膜表面的接触角，并对所制备的分离膜进行油水分离性能测试和多次循环的稳定性测试。结果表明，所制备的分离膜具有良好的循环分离性能，对于油水混合物循环十次后分离效率仍在90%以上。本研究为高效油水分离膜材料开发提供了新思路，并拓展了电化学表面改性的应用领域。

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