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2023年 第23卷 第5期    刊出日期：2023-05-28

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过程工程学报. 2023, 23(5):  0. 

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综述

气力输送关键装置及管内流动特性研究现状及展望

周甲伟 闫翔宇 郑泽冰 王庆辉 上官林建

过程工程学报. 2023, 23(5):  649-661.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222192

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气力输送具有清洁安全、空间集约、配置灵活且易于自动化等特点，是颗粒类散体物料常用的绿色输送技术，在化工、食品、制药、能源等多个领域得到广泛应用。同时，该技术也存在输送工艺复杂、颗粒输送状态瞬变且难以准确预测等难题，采用不同输送工艺时物料输送特性的多手段表征和预测一直是该技术的研究热点。本文在综述气力输送系统构成、常用供料装置结构特点的基础上，对计算流体力学与离散元耦合(CFD-DEM)数值模拟方法、常用测量装置和分析方法在气力输送特性研究的应用进行归纳，总结了当前气力输送流型演变、输送系统压力损失等输送特性的相关研究成果，并对气力输送研究进行展望，讨论了未来研究需关注的几个思考点。

研究论文

逆流式移动床过滤器过滤性能的实验研究

邢凯 吕涵 范怡平 卢春喜 孙富伟

过程工程学报. 2023, 23(5):  662-671.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222143

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通过大型冷模实验考察了气固逆流式移动床过滤器床层表观气速、再生气速对装备操作的影响。在无尘负荷条件下，装备压降随床层表观气速增大呈抛物线式上升的关系；能够用修正的Ergun公式进行预测。通过加尘实验发现，除尘效率与气体停留时间变化趋势相同，且与再生气速呈正相关。床层压降则表现出与床层气速呈正相关、与再生气速呈负相关的变化趋势。实验结果表明，该装备对于粉尘的捕集效率较高，在入口浓度为8.175 g/m3、表观气速在0.122~0.305 m/s范围内，除尘效率始终大于98.0%，且对13 μm以下的细微粉尘有较高的粒级效率，接近99.99%。

柱形涡发生器强化撞击流反应器流场特性的数值模拟

张建伟 魏宏文 董鑫 冯颖

过程工程学报. 2023, 23(5):  672-680.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222193

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利用数值模拟方法分析设有柱形涡发生器的撞击流反应器的流场特性，优化了柱形涡发生器的尺寸与位置参数，考察了柱形涡发生器尺寸与位置参数对撞击流反应器流场结构、速度分布、湍流尺度和混合性能的影响。结果表明，柱形涡发生器直径D=10 mm时，反应器内旋涡数量最多，涡系影响范围最广；D<10 mm时，旋涡数量减少；D>10 mm时，涡系影响范围减小。柱形涡发生器横向间距的增加使反应器内旋涡数量减小，涡系影响范围增大。随着柱形涡发生器横向间距、纵向间距的增加，撞击流反应器径向流速、湍流尺度和混合强度均先增大后减小。当柱形涡发生器横向间距K=5 mm、纵向间距J=70 mm时，撞击流反应器混合效果最佳。

基于CFD的搅拌萃取塔结构优化与流场分析

袁慎峰 金玲贞 陈志荣 尹红

过程工程学报. 2023, 23(5):  681-690.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222269

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为降低搅拌萃取塔内轴向返混并增大通量，在搅拌筛板萃取塔基础上改进内部结构，设计了返混相对较轻的搅拌萃取塔。通过停留时间分布模拟，结合返混模型和流场分析，研究了通道面积、环隙位置、开孔方式和澄清段高度等因素对流体流动特性的影响。结果表明，级间转动挡板可以有效抑制塔内轴向返混，且挡板直径越大，塔内通道面积越窄，抑制返混效果越好；固定环开孔和级间挡板开孔均会带来一定程度的返混，尤以搅拌桨下方的级间挡板开孔影响最为严重；设立澄清段可以降低塔内返混，且澄清段高度越高返混越小，实际应用时考虑到设备成本，澄清段高度与塔径之比以0.7左右为宜。

基于流固热耦合的平直翅片管换热器结霜过程数值模拟

陈清华 张斌 周保杰 季家东 王建刚 王皖楠

过程工程学报. 2023, 23(5):  691-702.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222186

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平直翅片管换热器结霜是湿空气、霜层和换热器结构多物理场交互作用的结果。基于流固热耦合计算方法，考虑结霜过程中霜层密度和导热系数的变化，定义更真实求解域边界，对三维平直翅片管换热器的结霜过程进行数值模拟研究。模拟计算得到的结霜量与实验值之间的平均误差为4.67%，较以往数值模拟方法得到的结果精度有所提升。计算对比了湿空气进口流速分别为1.0, 2.0, 3.0, 3.7 m/s，相对湿度分别为60%, 70%, 80%时霜层的生长情况。结果表明，霜层厚度沿气流方向不断降低，随着来流速度和相对湿度增加，生长速率增大。对空气侧换热系数的研究表明，在结霜初期，空气相对湿度越大，换热系数越大；在结霜后期，空气相对湿度越大，换热系数越小。

沟槽结构对质子交换膜电解池性能的影响

刘瑗玥 刘宏波 何静 韩佳欣 陈涛

过程工程学报. 2023, 23(5):  703-712.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222208

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质子交换膜水电解(PEMEC)是极具发展前景的水电解制氢技术，但其发展受到成本与能耗的限制。为了有效改善质子交换膜电解池阳极通道内热量传递和气液两相传递能力并提高电解性能，对电解池通道壁面结构进行研究。基于电化学原理、传质传热理论，建立了三维非等温质子交换膜电解池单通道模型，对电解池阳极通道速度、温度以及气液两相分布等方面进行分析，研究了仿生沟槽和常规沟槽对电解池热质传递以及电化学性能影响。结果表明，(1) 电解池阳极通道中加入沟槽对电解池流体速度、热质传递性能及电化学性能均有不同程度优化；(2) 仿生曲面沟槽相较于常规几何沟槽，对电解池各方面性能的优化效果更加显著，仿生曲面沟槽与三角形和V形沟槽相比，阳极通道传热系数分别提高10.8%和28.2%，液态水和氧气最大传质速率相对优化率达到47.0%和83.3%；(3) 沟槽间距会影响通道流体扰动程度，扰动次数和沟槽数目呈正相关，当通道长度一定时，沟槽间距越小，扰动越频繁，电解池通道流体速度增大，电解池整体性能提升。研究结果可为质子交换膜电解池的设计提供一定参考。

加压、升温对正十二烷/空气火焰层流燃烧特性的影响

史继程 靳滔 邱冰冰 董文龙 楚化强

过程工程学报. 2023, 23(5):  713-723.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222195

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化石燃料的燃烧是当今社会主要的能源供给形式，但随着化石能源的消耗殆尽，发展新型替代燃料已刻不容缓。正十二烷(n-C12H26)是航空煤油的重要组成成分之一，也是多种航空煤油替代燃料的重要组成。本工作采用CHEMKIN/PREMIX数值模拟研究了正十二烷/空气火焰的层流燃烧特性，为发展航空煤油替代燃料提供一定的理论参考。实验的初始温度设置为400, 403, 423和470 K，初始压力设置为0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0 MPa，当量比设置为0.6~1.6。本研究主要聚焦火焰的传播燃烧特性、温度敏感性分析和中间自由基的分布情况，探究了正十二烷/空气火焰的层流燃烧速度、绝热火焰温度、净热释放率和中间自由基生成速率随初始温度和压力的变化规律。结果表明，层流燃烧速度的模拟值对其他研究者的实验值预测良好，与其他模型的预测趋势保持一致。绝热火焰温度在化学计量比附近达到峰值。温度敏感性分析表明，与其他碳氢燃料相似，在正十二烷氧化过程中引起火焰温度升高促进放热的最敏感反应为R1 (H+O2?O+OH)。通过对中间自由基的生成速率及摩尔分数分布规律的研究，验证了正十二烷燃烧火焰前锋与燃料裂解存在明显的空间位置差距。初始压力的升高使反应区域缩小，进一步加快了自由基的生成速率。本工作的数值计算结果丰富了高压下的正十二烷层流燃烧特性数据库，为研发新型航空煤油替代燃料提供了参考。

基于分子动力学模拟研究蒙脱石对油页岩干酪根热解产物分布的影响

李想 战金辉 许光文

过程工程学报. 2023, 23(5):  724-733.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222140

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基于反应力场(ReaxFF)的分子动力学模拟方法，研究了绿河油页岩干酪根在蒙脱石存在下的热解反应过程，分析了不同温度下热解的产物分布及矿物质与有机质之间的非键作用特征。通过对比有无蒙脱石热解体系在升温过程中产物分布特征，验证了蒙脱石对干酪根热解具有很强的促进作用，能降低体系的热解反应温度和拓宽反应的温度跨度，蒙脱石的存在能使干酪根热解反应中轻质油组分增加及重质油组分减少。一系列特征温度下的恒温模拟结果表明，加入蒙脱石进行热解可以增加小分子片段产率，抑制高温下大分子片段发生聚合反应。蒙脱石对油页岩干酪根热解促进机制是由吸附作用引起的，体现在干酪根和蒙脱石之间存在巨大的非键作用力，以范德华(VDW)相互作用为主，与干酪根片段C18H30, C18H38, C20H42和C45H60O相比，蒙脱石与片段C75H118O5N4, C102H167ONS2和C367H550O10N10S2之间存在显著的非键相互作用，其中片段C367H550O10N10S2与蒙脱石的相互作用力最强。

干法电石渣杂质赋存及高效分离研究

杨悦 朱干宇 孟子衡 刘鑫辉 杨靖 颜坤 彭宗贵 王秋剑 李会泉

过程工程学报. 2023, 23(5):  734-743.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222117

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电石渣中Ca(OH)2含量达到了80%以上，针对电石渣中包含的大颗粒杂质影响其资源化利用的问题，采用了XRD, XRF, XPS, FTIR和化学分析等方法对杂质组分进行了系统分析，采用短程气固高效分离工艺对电石渣进行旋风分离，研究了旋风分离过程对杂质的分离效果和产品应用的影响。结果表明，电石渣中的碳主要以碳单质和碳酸盐形式存在，铝硅多以铝硅酸盐形式存在，硫主要以硫酸盐、硫化物和硫醇的形式存在；旋风分离后电石渣中粗颗粒显著富集，铁在粗渣中富集现象显著，铝硅和钙组分未富集，细渣中酸不溶物含量显著减少。利用电石渣制备活性氧化钙，旋风分离细渣所制备的氧化钙产品抗压强度达到了5.1 MPa，相对于原渣和旋风分离粗渣均提高了约50%；细渣制备的活性氧化钙产品中酸不溶物质量分数与原渣和粗渣相比也显著降低，为0.46wt%。本研究为电石渣的杂质分析及工业化应用提供了依据。

硅铁炉上部区域兰炭结构演变与性能研究

王毅 马成 邹冲 刘诗薇 俞楠 施瑞盟 赵生三

过程工程学报. 2023, 23(5):  744-754.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222156

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采用井式炉干馏装置分别对兰炭进行不同温度热处理，并以此模拟兰炭在硅铁炉上部区域下行过程中的状态。利用氮气吸附、拉曼光谱、热重分析等方法研究了不同热处理温度下入炉兰炭的理化结构和性能变化，结合工业实验结果分析兰炭影响炉况的关键环节。结果表明，随热处理温度升高，兰炭比表面积和孔容呈先增大后减小再增大直至稳定的变化规律，碳化学结构中缺陷和无定型结构逐渐转变为有序碳结构，兰炭反应性能变差，电阻率呈阶段性降低。热处理温度大于1600℃后，不同兰炭间的孔隙结构、碳化学结构、反应性能和电阻率性能变化趋于稳定。孔隙结构发达及反应性能较好的兰炭入炉后在料面的过度烧损导致兰炭机械强度恶化和炭耗增加，这是影响不同品质兰炭入炉冶炼效果存在差异的主要因素。

不同比表面积铁精矿球团氧化动力学

顾宝澍 马叙叙 朱子康 丁佰根 罗邦曹 春铁军

过程工程学报. 2023, 23(5):  755-762.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222148

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采用了不同比表面积铁精矿制备球团，分别在不同的温度(1000~1075℃)和时间(0~18 min)内进行了氧化动力学实验。结合基元化学反应和未反应核模型计算球团氧化过程的动力学方程和表观活化能，判断氧化过程的限制性环节。结果表明，随着温度升高和时间延长，氧化率逐渐提高；随着铁精矿比表面积提高，氧化率降低，球团的反应速率常数减小。铁精矿比表面积为849 cm2/g的球团在氧化前期(前3 min)和氧化后期的活化能分别为55.19和26.72 kJ/mol，比表面积为1445 cm2/g的球团在氧化前期(前3 min)和氧化后期的活化能分别为61.73和27.88 kJ/mol，两种球团氧化前期的限制环节为化学反应控制，氧化后期的限制环节为化学反应及气体内扩散混合控制，与未反应核模型得到的结论一致。原料比表面积的提高导致球团的孔隙率下降，影响气体从球团颗粒表面扩散到内部，球团的氧化率和氧化速度下降。

直接还原钒渣制备铁钒合金热力学分析及性能

王伟彬 张子阳 刘海涛 王维

过程工程学报. 2023, 23(5):  763-770.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222223

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围绕钒渣的资源化利用的研究热点，以钒渣和高铁赤泥为原料，采用高温碳热还原熔炼的方法成功地制备了铁钒合金。热力学分析表明铁和钒的氧化物在高温下均可被还原为金属单质，且二者在固液相中均能无限互溶，证明以此种方法制备铁钒合金可行。实验研究了原料配比对金属回收率的影响，以及Na2CO3和焦炭添加量对合金组织及性能的影响，结果表明，高铁赤泥的加入可以提高炉料碱度，Na2CO3的加入改善了Fe2SiO4和FeAl2O4的还原条件，有利于提高反应体系的还原效率；Na2CO3和焦炭的最佳添加量分别为8wt%和30wt%，此时原料中Fe和V的回收率最大。V在合金凝固过程中促进了珠光体转变，提高了合金的力学性能。

钙钛矿型La(Co_0.2Cr_0.2Fe_0.2Mn_0.2Ni_0.2)O₃高熵氧化物的制备及电化学性能

邵霞 贾洋刚 程婕 方道来 冒爱琴 檀杰

过程工程学报. 2023, 23(5):  771-780.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222242

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钙钛矿型ABO3氧化物由于良好的导电性和电化学活性，成为能源存储材料领域的研究热点之一。本研究采用固相反应法制备了钙钛矿型La(Co0.2Cr0.2Fe0.2Mn0.2Ni0.2)O3高熵氧化物锂离子电池(LIBs)负极材料，并将其与二元钙钛矿型LaCoO3进行了比较。结果表明，随着反应温度由750℃升高到950℃，反应时间由30 min增加到4 h，钙钛矿结构中的杂相逐渐消失，结晶度逐渐增加。所制备的粉体为球形，且各组成元素分布均匀。研究其电化学性能表明，La(Co0.2Cr0.2Fe0.2Mn0.2Ni0.2)O3由于具有熵稳定的晶体结构和多主元协同效应，展示了更高的比容量、更优异的倍率性能和循环稳定性。La(Co0.2Cr0.2Fe0.2Mn0.2Ni0.2)O3在200 mA/g电流密度下循环100圈的可逆比容量接近理论比容量，高达331 mAh/g，而LaCoO3仅有185 mAh/g；且在1000 mA/g电流密度下La(Co0.2Cr0.2Fe0.2Mn0.2Ni0.2)O3和LaCoO3容量保持率分别为72.5%和61.6%。该研究结果为高性能电极材料以及电极材料的低钴化或无钴化方向提供新的设计理念和借鉴作用。

超强碱离子液体-有机胺-水复配溶剂高效CO₂捕集

王凯旋 李涛 李玉 白银鸽 曾少娟 任保增 张香平 董海峰

过程工程学报. 2023, 23(5):  781-789.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222175

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CO2捕集是实现碳减排的重要技术之一。其中，化学吸收法是一种有效的、适用于低CO2分压的CO2捕集技术。开发出一种高效、低能耗、环保的吸收剂是该领域的研究难点和热点。离子液体(ILs)作为一类绿色溶剂，在CO2捕集中具有结构可调节、反应速率快、吸收量高等优势，但存在黏度大、价格昂贵等问题，本工作提出将超强碱离子液体1,8-二氮杂二环[5,4,0]十一碳-7-烯咪唑([HDBU][Im])与单乙醇胺(MEA)复配得到离子液体复配溶剂，来提高吸收剂的CO2吸收量并降低吸收CO2后溶剂的黏度。研究了离子液体浓度、吸收温度、CO2分压等对离子液体复配溶剂捕集CO2性能的影响，测定了离子液体复配溶剂在不同CO2负荷下的密度和黏度等物性。结果表明，30wt% MEA+10wt% [HDBU][Im]具有较好的吸收能力，在40℃下，CO2吸收量达到0.1453 g CO2/g溶剂，且吸收CO2前后溶剂的黏度分别为2.312和4.303 mPa?s，显著低于离子液体吸收剂，是一种具有潜力的CO2捕集溶剂。

基于局部信息的LNS-PCA的多模态过程故障监测

苑忠帅 孙四通

过程工程学报. 2023, 23(5):  790-798.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222183

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为了满足各种不同的企业生产需求，在实际化工过程中往往包括许多不同的运行模态。因为涉及内部各种反应的复杂性和微妙性，且各个环节相互联系，导致化工过程数据呈现高斯与非高斯数据相互混合的情况，传统多元统计监控(Multivariate Statistical Process Monitoring, MSPM)在多模态数据故障检测领域精确度较低。因此进行准确的复杂化工过程故障检测仍然是一大难题。针对这一类问题，本工作提出了一种新的基于局部信息的近邻标准化和主成分分析(Local Information Local Neighbor Standardization and Principal Component Analysis, LLNS-PCA)的方法建立高精确度的故障诊断模型。首先对样本利用高斯混合模型(Gaussian Mixture Model, GMM)方法分解成多个局部样本，应用每一个局部样本的平均值和方差进行近邻标准化，再使用主元分析进行故障监测。基于PCA监测模型，采用T 2和SPE两种监测统计量对多模态过程进行监测。最后通过数值例子和青霉素生产过程验证其有效性。结果表明，相对于PCA, KPCA, LNS-PCA等方法，LLNS-PCA在多模态故障检测领域有更加迅速的反应率和更高的准确率，因此能够保障多模态生产过程的安全性和产品的高品质。