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2023年 第23卷 第6期    刊出日期：2023-06-28

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过程工程学报. 2023, 23(6):  0. 

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综述

钠离子电池层状氧化物正极材料改性研究进展

李苗苗 邱祥云 尹延鑫 张涛 戴作强

过程工程学报. 2023, 23(6):  799-813.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222296

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由于储量丰富、价格低廉及安全环保等突出优点，钠离子电池(SIBs)被认为是大规模储能应用的主要候选技术之一，而正极材料的开发也决定了钠离子电池的商业化进程和最终性能。钠离子电池层状氧化物正极材料，具有比容量高、构造简单、稳定性好等优势，是最富有前景的钠电正极材料之一。但此类材料目前仍面临电化学过程的不可逆变化、空气中储存不稳定和界面稳定性较差等问题，严重制约着钠离子电池商品化进程的发展。为了解决材料所存在的这些问题，研究人员对其进行改性优化。据此，本工作综述了钠电正极材料层状氧化物离子掺杂、表面包覆、纳米结构设计、P/O混合相等改性措施所取得的成效，为钠电正极材料层状氧化物改性研究提供了基础，并对层状氧化物的后续发展趋势进行了展望。

面向微纳技术的液桥断裂研究进展

朱朝飞 楚亚龙 高羡明

过程工程学报. 2023, 23(6):  814-825.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222287

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受尺度效应的影响，液桥的形态特征决定了液桥力的变化，液桥力的变化对液桥的形成与断裂具有重要影响。基于液桥形态学的液桥断裂机理是生物、化学、材料、微纳技术等研究领域的理论基础。目前，液桥断裂研究属于跨学科研究，涉及数学、流体力学、界面化学、材料学等学科，但较少有专注于液桥形态学的液桥断裂研究的综述。本综述总结了轴对称液桥、非轴对称液桥和非牛顿流体液桥的断裂理论模型和实验方法。首先，介绍了平衡或稳定状态下，液桥受迫拉伸、断裂过程中产生的流体弱非线性行为。其次，描述了液体体积、黏度、表面张力、表面润湿性和粗糙度、断裂速度、液桥形态等关键因素对液桥断裂位置或分配率的影响，归纳了研究影响液桥断裂参数时所采用的实验方法，讨论了不同实验装置的结构特征及其优缺点，总结并提出了该研究的创新特性和高价值的研究方向。最后，展望了微纳技术领域的液桥断裂的前沿研究方向，指出建立更全面的液桥断裂模型、研究多参数约束下的液桥断裂机理和控制方法是未来的研究重点。

研究论文

移动床内颗粒共振行为的DEM模拟

沈秦坚 董世杰 张丹城 郭辉 宋吟玲 刘晓星

过程工程学报. 2023, 23(6):  826-836.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222161

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移动床在各种过程工业中普遍存在。从颗粒尺度出发刻画移动床内颗粒物料的复杂流动行为，对于大型移动床反应器的设计、放大和优化具有重要的意义。本工作基于三维离散单元法(Discrete Element Method, DEM)数值模拟，考察了漏斗流和半整体流卸料流型下移动床内颗粒物料的运动特性，重点探讨了两种卸料流型下颗粒运动脉动特性的异同。首先通过对比流动区轮廓及其特征宽度随时间演化的模拟预测结果和实验测量结果，检验了DEM模拟结果的可靠性。DEM模拟结果表明，两种卸料流型下，流动区上部区域不同位置处颗粒平均轴向速度随时间的变化都呈现出显著的非随机波动，表现为颗粒平均轴向速度时间序列的离散傅里叶变换频谱图都出现了明显的特征峰。空间相关性分析结果表明，在流动区上部区域，不同位置处颗粒轴向速度随时间的波动呈现强烈的空间相关性，两种卸料流型下体系内都形成了局部共振。不同轴向位置处颗粒轴向速度的延迟相关性分析结果表明，这种共振行为源自于床层底部出口上方。对颗粒轴向速度和颗粒间接触力之间延迟相关性的分析结果显示，两者之间存在显著的相关性，且后者的波动先于前者的波动，说明模拟得到的共振现象可能源于自由落体拱机制。本工作的模拟结果表明，漏斗流和半整体流流型下移动床内颗粒物料卸料过程中都可出现共振，且两种卸料流型下颗粒共振特征并无本质区别。

二元颗粒在气固流化床中的轴向分布特性

闫珺 金伟星 范怡平 鄂承林 卢春喜

过程工程学报. 2023, 23(6):  837-846.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222204

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通过大型冷模实验测量了二元混合颗粒在流化床内沿轴向的压力分布，考察了混合颗粒截面平均浓度沿轴向的变化特点。通过分析床层压差分布的转折点，确定了密相区与稀相区的相交界面高度，根据实验结果给出了经验关联式。通过压力信号标准差分析了流化床内混合颗粒流化性能与表观气速和颗粒混合比例的关系。实验结果表明，平均颗粒浓度沿流化床轴向呈下降趋势，且在密相区中随表观气速增加而减小，在稀相区中随表观气速增大而增大。二元颗粒中大颗粒比例xl为0.685时，密相区总平均颗粒浓度存在最大值。密相区与稀相区相交界面高度随表观气速增大而提高。当0.225≤xl≤0.479和0.561≤ug≤1.122 m/s时，流化床内二元颗粒的流化性能和混合程度达到最佳。

均流腔对微通道内沸腾流动传热的影响

江河 袁俊飞 王林 邢谷雨 安礼贝

过程工程学报. 2023, 23(6):  847-857.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222363

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针对平行微通道散热器的沸腾流动不稳定性问题，以R134a制冷剂为工质，研究了内圆弧过渡形均流腔微通道散热器(MC-C)与传统方形均流腔微通道散热器(MC-S)的沸腾流动与传热特性。结果表明，与MC-S微通道相比，MC-C微通道入口均流腔减小了对工质的流动阻力，出口均流腔促进蒸气从散热器中排出，MC-C微通道的各微流道中的流型更加均匀。MC-C微通道沿程壁面温度先增大后减小再增大，MC-S微通道沿程壁面温度先减小后增大，相同工况下MC-C微通道可以实现更低的壁面温度。两种均流腔结构微通道的传热系数随质量流量增大而增大，随热流密度增大而增大；相同工况下MC-C可以实现更高的传热系数。当热流密度为242.6 kW/m2时，MC-C微通道较MC-S微通道的壁温最大降低了2.8℃；质量流量G=572 kg/(m2?s)时，随热流密度升高，MC-C微通道较MC-S微通道的沿程最大温差最多降低了2.2℃；当热流密度为242.6 kW/m2时，MC-C微通道较MC-S微通道平均传热系数最大提高了20.2%。

基于OpenFOAM模拟精馏塔板的气液流动

周晓庆 焦云鹏 范天博 何险峰 陈建华

过程工程学报. 2023, 23(6):  858-869.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222258

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本研究对筛孔型精馏塔板上的空气-水两相流进行了模拟，模拟方法采用基于开源软件平台OpenFOAM的双流体模型框架。模拟体系选用Solari-Bell经典实验体系，研究了不同操作条件下的气液两相流动参数，包括清液层高度、气相速度、液相速度和塔板压降等，模拟结果与实验结果的变化趋势基本一致。基于CFD模拟结果，分析了不同工况下塔内气液两相速度场与气含率分布等流动参数，结果表明本工作可以较好地捕捉塔板上的气液流动特征。进一步地，讨论了应用OpenFOAM模拟精馏塔内气液两相流动的若干影响因素，在此基础上分析了气液错流体系相间曳力对模拟结果的影响，实现了与使用商业软件模拟结果相接近的预测效果，验证了使用OpenFOAM模拟精馏塔体系的可行性。

天然气引射器内部熵产分析

张文辉 李奇

过程工程学报. 2023, 23(6):  870-879.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222294

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应用前苏联热工研究所提出的方法设计了某工况下天然气引射器的尺寸，采用RNG k-ε涡黏模型对其进行了数值模拟，并利用实验数据进行验证。分别计算了引射器内部的黏性熵产、湍流熵产、有限温差传热熵产以及壁面熵产，其中湍流熵产约占总熵产的97%，说明湍流脉动引起的摩擦损耗是其主要能耗形式。引射器的湍流熵产与其内部钻石激波、斜激波以及流体间的剪切扩散过程密切相关。轴向上湍流熵产的分布及峰值与其混合室中的钻石激波以及扩散室中的斜激波产生的位置及强度呈正相关。径向上引射器内部的湍流熵产的分布由射流核心与引射流体间的剪切边界层逐渐向整个横截面过渡。此外，扩散室中的斜激波的出现会增大湍流熵产，使引射器工作性能变差。

耦合电化学和多相流模型的强制循环水电解槽性能研究

段旭东 王斯民 文键

过程工程学报. 2023, 23(6):  880-888.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222318

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碱性电解槽中气泡行为所带来的浓度极化对电解槽的性能影响较大，增大了电解水制氢能耗，但大多数研究未考虑电化学过程中气相产物流动行为的影响。本工作将电化学模型与气液两相流模型耦合，在描述气相体积力的方程中引入了曳力、升力和气泡弥散力，考虑了浓度极化的影响，模拟了强制循环碱性电解槽的产气过程，并进一步研究了操作工况对于电解槽性能的影响。随着电解液温度从60℃升高至80℃，平均电流密度提高了3.84%，电流密度分布均匀度恶化。当电解液入口流速从0.10 m/s增大至0.30 m/s，可以同时提高平均电流密度及其分布均匀度，平均电流密度提高了0.64%。电解液中氢氧化钾浓度对电解性能的影响最大，随着氢氧化钾浓度从2 mol/L提高至6 mol/L，电流密度提高了40.21%，但电流密度分布均匀度会恶化。

高湿黏性颗粒在PTFE滤料表面的沉积规律研究

袁轲 钱付平 陈路敏 董伟 鲁进利 韩云龙

过程工程学报. 2023, 23(6):  889-897.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222227

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过滤过程中颗粒物在滤料上的沉积形貌对除尘器过滤性能及清灰频率的确定至关重要。为深入了解颗粒物在聚四氟乙烯(PTFE)滤料表面的沉积规律，搭建了一套过滤实验系统，基于该实验系统对比了过滤时间、粉尘浓度、过滤风速和含水率对颗粒单位面积沉积质量及粉尘层平均厚度的影响，探究了两种沉积速率的适用性及高湿黏性颗粒的黏附效率，并推导了不同含水率粉尘层的厚度分布模型。通过建立沉积粉尘层内部颗粒间的受力模型，对颗粒的受力运动情况进行分析，后续沉积颗粒自身重力对先前沉积颗粒的压缩作用不可忽略，颗粒的运动趋势由上层粉尘层重力、气流对颗粒的曳力及颗粒间黏附力共同决定。实验结果表明，高湿粉尘较干燥粉尘单位面积沉积质量有所降低，随着粉尘含水率增大，粉尘层平均厚度和单位面积沉积质量呈先减小后增大的趋势；高湿粉尘的沉积受颗粒间黏附力大小的影响，粉尘含水率为10%时质量沉积速率和黏附效率最小；粉尘含水率为9%和13%时粉尘层均匀性较干燥粉尘层下降，当高湿颗粒间的黏附力可以抵抗上层重力的压缩作用时颗粒滑动减少，粉尘层结构均匀。含水率为10%~12%时粉尘层均匀性稳定，且含水率为10%时最佳。

烧结时间对Fe-Si/SiO₂软磁铁芯微观结构演变及磁性能的影响

孔辉 王锐 吴朝阳 贺弋海 王海川 鞠纳川

过程工程学报. 2023, 23(6):  898-907.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222166

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软磁铁芯由铁基软磁合金粉末和作为绝缘层的氧化物陶瓷组成，这二者在软磁铁芯中形成的核壳异质结构是限制交流磁化过程中涡流运转和降低高频损耗的基础，因此在烧结成型过程中保持软磁铁芯内核壳异质结构的完整性和均匀性对优化其磁性能至关重要。本工作制备了Fe-Si/SiO2软磁铁芯，并研究了Fe-Si/SiO2核壳异质结构随烧结时间的演化行为及对软磁铁芯磁性能的影响。结果表明，在3~10 min范围内，随烧结时间的延长Fe-Si/SiO2软磁铁芯内核壳异质结构逐渐趋于完整，烧结时间为9 min时，SiO2绝缘层开始结晶；当烧结时间超过11 min时，由于热压烧结过程中的梯度温度场引起的过热现象，导致核壳异质结构坍塌。在核壳异质结构保持完整的情况下，烧结时间为10 min的Fe-Si/SiO2软磁铁芯性能较佳，饱和磁化强度为220.9 emu/g，电阻率为0.72 mΩ?cm，总损耗Pcv (10 mT, 100 kHz)为627.5 kW/m3。相比于核壳异质结构坍塌的样品(13 min)，总损耗Pcv (10 mT, 100 kHz)降低约38.7%，其中涡流损耗降低了约33.1%，磁滞损耗降低了约14.7%。

微反应器内Stöber法可控制备SiO₂微球

余杨屏 杨梅 李明芝 陈光文

过程工程学报. 2023, 23(6):  908-917.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222290

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采用微反应器与间歇反应器串联策略，实现了反应物料的快速混合及陈化时间的灵活调变，基于St?ber法可控合成了SiO2微球。通过X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、透射电子显微镜(TEM)对样品的物相和形貌进行了表征。结果表明，SiO2微球的平均粒径及粒径分布取决于TEOS水解反应及硅酸盐单体缩聚反应间的竞争，同时还受反应前期物料的混合速率的显著影响。当陈化温度从25℃增高至75℃，SiO2微球平均粒径从472 nm减小至200 nm，单分散性变化不大。当氨水浓度从0.8 mol/L增加至5.6 mol/L时，SiO2微球平均粒径从34 nm增大至261 nm，单分散性变好。当水浓度增加至35.6 mol/L或TEOS浓度增加至1.0 mol/L时，溶液中发生多次成核或持续成核现象，使得SiO2微球的单分散性急剧变差。提高雷诺数或缩小通道内径有利于获得单分散SiO2微球。

载体结构对4-甲基-1-戊烯超强碱催化剂反应性能的影响

柴婧 靳海波 杨索和 何广湘 马磊 郭晓燕

过程工程学报. 2023, 23(6):  918-924.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222300

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负载碱金属K固体超强碱为催化丙烯二聚生成4-甲基-1-戊烯(4MP1)过程的催化剂，该反应过程中催化剂载体发挥着不可忽视的作用，本工作系统地研究了4MP1生成过程中催化剂载体的作用及不同载体性能的影响规律。采用压汞仪、扫描电子显微镜(SEM)等手段对载体物质的比表面积、孔径分布等孔道结构进行表征。结果表明，当二聚反应的目标产物是4MP1时，以K2CO3为载体负载碱金属K所制备的催化剂具有较好的4MP1选择性，达87.38%；各载体表现出的催化性能差异主要是因为不同载体的孔道结构会产生内扩散阻力，影响丙烯二聚反应的产物分布；针对丙烯二聚反应路径及4MP1异构化反应，丙烯二聚高选择性生成4MP1应首选具有低比表面积、较大孔径、孔径分布窄的物质作为载体。

煤层取芯过程中煤芯温度的时变特征

程括 蔺海晓 岳高伟 梁为民

过程工程学报. 2023, 23(6):  925-935.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222330

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井下取芯时煤芯温度直接影响取芯过程中的瓦斯损失量。为了减小瓦斯损失量预测的误差，利用试验与数值模拟相结合的方法，研究了取芯过程煤芯温度场的演化规律。进行取芯深度为40和60 m的现场取芯测温试验，建立取芯钻头-取芯管-煤体的3阶段热力学模型并与试验对比，验证该热力学模型具有一定可靠性。建立煤层取芯过程中取芯钻头-取芯管-煤体-煤芯的热力学模型，数值分析不同取芯深度煤层取芯过程煤芯温度的演化规律。研究结果表明，煤层取芯推进阶段取芯管与煤壁摩擦生热；钻进阶段钻头切削煤层生热且与煤壁摩擦生热；退钻阶段取芯管与孔内气体发生热交换散热。不同取芯深度现场测试的取芯管监测点温度与模拟结果的温度变化规律一致，误差为±10%，表明取芯热力学模型可靠。模拟取芯时，热量从钻头处同时向煤芯内部及底部传导，温度沿轴向和径向随时间升高，由于与钻孔内气体换热，峰值温度随时间降低。不同取芯深度的煤层取芯，煤芯中心所达到的最终温度随深度呈指数上升。

微藻与工业污泥水热液化的产油特性分析

卢建文 许世佩 李庆远 王超 吴玉龙

过程工程学报. 2023, 23(6):  936-942.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222268

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水热液化(HTL)技术可将高含水生物质直接转化为生物油。本工作以小球藻、造纸污泥和制药污泥为原料，对比了三种原料水热液化生物油的特性。结果表明小球藻、造纸污泥和制药污泥的生物油产率分别为31.2%, 15.4%和19.3%。小球藻生物油碳氢含量及热值最高，制药污泥生物油碳氢含量及热值最低，造纸污泥生物油碳氢含量及热值介于两者之间，而造纸污泥生物油能量回收率最高。生物油组成复杂，成分中含有烃类、酸类、链状酰胺和含氮杂环等化合物，制药污泥生物油中烃类化合物的含量最高，为28.9wt%，造纸污泥生物油中含氮杂环化合物最多，为45.1wt%。另外，造纸污泥和制药污泥生物油中低沸点(<200℃)化合物含量为33wt%左右，明显高于小球藻生物油中的低沸点化合物含量(23wt%)。本研究结果表明水热液化可以实现藻类和污泥的资源化利用。