过程工程学报

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过程工程学报. 2023, 23(11): 0.

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凹壁面切向射流近壁面单颗粒尾流特性的大涡模拟

张静侯文浩周承昊田志国龚斌

过程工程学报. 2023, 23(11): 1497-1505. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223019

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采用大涡模拟研究了凹壁面切向射流作用下近壁面圆球型颗粒对流体流动特性的影响，模拟获得的尾涡结果与实验示踪剂图像吻合较好。研究了颗粒尾流的涡旋结构及其演变过程，考察了雷诺数Re=700~10 000时颗粒周围速度、涡量及流线变化。结果表明，随着雷诺数增加，颗粒的影响区域涡量增强，涡量的峰值始终出现在颗粒迎流面，颗粒后侧的回流区显著收缩。Re≥2000时在射流展向颗粒后侧存在两个尾涡，流体的切向速率和涡量均发生周期性波动。对颗粒的升力和阻力进行了监控，Re=2000时旋涡脱落频率对应的斯特劳哈尔数St=0.000 854，升力功率谱中峰值对应的St=0.001 52；Re=10 000时阻力功率谱没有发现峰值，升力功率谱中峰值对应的St=0.008 74。

基于相似原理的超细粉体搅拌功率的实验和DEM数值模拟

陈荟刘雪东刘文明郑蔚文张红红吕开新

过程工程学报. 2023, 23(11): 1506-1517. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222421

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采用实验研究和数值模拟相结合的方法，研究机械式粉体搅拌机内超细粉体搅拌过程的搅拌功率、扭矩的变化规律。对平均粒径为10.56 μm的轻质碳酸钙粉体进行搅拌实验，研究了机械式粉体搅拌机内的操作参数，包括搅拌转速、桨叶位置、料面高度的变化对超细粉体搅拌功率和扭矩的影响，拟合得出了功率计算的表达式。利用相似原理放大粉体细颗粒，对放大的粗颗粒进行虚拟实验，获得接触参数；对粗颗粒搅拌过程进行DEM数值模拟，将模拟搅拌功率和扭矩的结果与实验结果进行比较。结果表明，机械式粉体搅拌机内超细粉体搅拌功率消耗与搅拌桨转速、桨叶位置、料面高度等参数密切相关。同时，扭矩值与功率值与搅拌桨转速、料面高度呈正相关，与桨叶位置呈负相关。模拟的扭矩值和功率值与实验的扭矩值和功率值比值与颗粒放大因子基本吻合，验证了相似原理应用于研究桨叶位置和料面高度对搅拌功率特性的影响的准确性。

CO₂环加成过程中副产物溴乙醇的催化转化研究

高瑞斌易礼鑫杨子锋董丽刘一凡郭洪范李雨浓

过程工程学报. 2023, 23(11): 1518-1529. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222468

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CO2是温室气体之一，其在大气中快速大量积累直接导致了全球变暖和生态破坏等环境问题。从可再生碳资源利用的角度来讲，CO2是广泛存在、价廉易得的C1资源。以环氧乙烷(EO)和CO2为原料生产碳酸乙烯酯(EC)的工艺，具有高“原子经济”和“绿色化学”的优势，为C1资源的化学利用提供可行的工业方案。卤素离子型催化剂是该环加成反应的传统催化剂，但在反应过程中，催化剂中卤离子流失，生成副产物卤代醇分子，从而影响主产物碳酸乙烯酯的收率、增加了分离难度和对设备的要求。因此，开发理想的催化体系，将副产物卤代醇抑制并转化、促使其正向消耗十分必要。本工作设计开发了系列弱碱性离子液体，以溴乙醇(BE)为研究对象，在环加成反应条件(温度130℃、CO2压力3 MPa、反应时间3 h)下，添加弱碱性离子液体，实现了溴乙醇的原位转化。考察了不同的反应条件和不同碱性离子液体对溴乙醇转化的影响，包括离子液体种类、反应温度、压力环境、反应时间等因素，揭示了溴乙醇转化的反应规律，其中[Bu4P][HCO3]的效果最好；采用气体氛围和溶剂微环境调控不同反应路径，使BE的转化率可达20%~50%，添加EC后含溴共价键副产物减少，更有利于溴离子的生成。将卤素共价键转化为卤素离子，使环加成反应体系恢复了部分催化活性。该方法简单易行，能够实现CO2环加成的副反应路径的原位调控，完善CO2资源化利用体系，促进卤素离子的循环，具有重要的科学意义和应用价值。

基于EDEM的强力混合机混匀效果数值模拟研究

高旭雷杰狄瞻霞刘山平宋云峰龙红明

过程工程学报. 2023, 23(11): 1530-1540. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222459

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原料混匀效果是影响球团质量和生产效率的重要因素，强力混合机作为核心混匀设备，合适的运行参数可使混合的物料达到最佳混匀效果。工业上一般以检测球团的基础性能指标来替代物料的混匀效果，造成检测流程长、误差大，并且无法直观获得物料运动轨迹和分散效果。本研究采用SOLIDWORKS软件建立了强力混合机模型，利用EDEM离散元软件模拟了物料在反应器中的运动行为，研究了混合机转子、筒底、筒壁的旋转方式以及物料的填充率等因素对混匀效果的影响。结果表明，提升转子转速能够显著改善混匀效果，但是转速达±48 r/min时提升转速对混匀效果的改善不明显；加入筒底的旋转能够突破双转子旋转时的速度阈值，并且筒底在较低转速+30 r/min时即可大幅度提升混匀效果；相反地，加入筒壁的旋转会产生堆积效应，抑制了颗粒的分散，从而降低了混匀效果；填充率过高不利于转子叶片位置以上的物料分散，其中填充率为60%时混匀效果最佳。综合考虑了企业球团生产和混合设备运行性能要求，给出了合理的运行参数：转子转速±30 r/min、筒底转速+30 r/min、筒壁转速0 r/min和填充率60%。

贫化过程中Al₂O₃对铜渣物相转变及结构的影响

田博魏永刚周世伟李博

过程工程学报. 2023, 23(11): 1541-1548. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222465

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铜渣贫化是铜冶金工业可持续发展的重要方法。随着优质铜精矿的不断消耗，低品位、高杂质的铜精矿逐渐被利用。高铝铜精矿作为一种典型的低品质铜精矿，其熔炼后的铜渣中Al2O3含量有所上升。随着铜渣成分的变化，控制铜渣特性对在贫化过程中回收铜以及降低铜损失至关重要。本工作以ISASMELT铜渣为原料，采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM-EDS)、红外光谱(FTIR)等分析技术，阐明了火法贫化过程中不同Al2O3含量对铜渣的物相及结构的影响，以及物相转变及结构改变对铜损失的影响。还研究了不同CaO添加量对高铝铜渣的物相转变、结构和铜损失的影响。结果表明，随着Al2O3含量的增加，熔渣中会形成高熔点的铁铝尖晶石，且铝硅酸盐结构也趋于复杂，使熔渣黏度增大，渣中铜含量增加。在高铝铜渣中加入CaO，会形成高熔点的钙铁辉石、钙镁橄榄石，黏度增大。但是随着CaO添加量的增加，熔渣结构趋于简化，黏度降低。在CaO添加量为2wt%时，渣中铜含量最低，为0.78wt%。少量CaO的加入能够降低高铝铜渣的渣中铜含量。

低温磁化焙烧对高铁铝土矿溶出及磁选性能的影响

万振鑫陈朝轶李军旗段啸天梁栋

过程工程学报. 2023, 23(11): 1549-1557. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223069

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为实现高铁铝土矿铝铁元素的高效利用，采用“低温磁化焙烧-拜耳溶出-赤泥磁选”的方式处理高铁铝土矿，考察了焙烧温度、H2浓度及通入时间对高铁铝土矿溶出及磁选性能的影响。结果表明，焙烧过程中一水硬铝石脱水转变为过渡态Al2O3，矿物发生热破裂现象，比表面积增大，氧化铝溶出活性增加，在焙烧条件为焙烧温度530℃、H2浓度20vol%、H2通入时间5 min时，氧化铝相对溶出率可达97.65%。磁化焙烧过程中，针铁矿转变为赤铁矿，再由赤铁矿转变为磁铁矿，通过溶出解除了铝铁元素之间的嵌布关系，对焙烧矿的赤泥进行磁选，其铁精矿品位达62.05wt%，铁回收率为86.36%。

红土镍矿硫酸浸出液中和除铁过程Ni²⁺和Mg²⁺损失机理及强化分离研究

蒋昊滕鑫罗骏莽昌烨李新冉孙文豪

过程工程学报. 2023, 23(11): 1558-1567. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223055

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中和沉淀工艺常用于去除红土镍矿酸浸液中的铁、铝、铬等杂质，这一过程中常伴随镍、镁等金属离子的损失。本工作研究了红土镍矿硫酸浸出液中和除铁过程中Ni2+和Mg2+的损失，提出了有价金属离子的损失机制。研究表明，固定模拟浸出液Ni2+和Mg2+浓度条件，随模拟浸出液中Fe3+浓度增大，中和沉淀过程中Ni2+和Mg2+的损失率分别在9.13%~23.23%和9.79%~15.68%左右；固定模拟浸出液Fe3+浓度条件，随着模拟浸出液中Ni2+和Mg2+浓度的提高，二者的损失率逐渐降低。根据溶液化学计算与实验证实，中和沉淀过程中SO42-与Fe(OH)3胶体形成一元和二元配合物，其中一元配合物中SO42-的孤对电子与Ni2+或Mg2+成键而发生吸附，从而导致溶液中Ni2+和Mg2+与SO42-被Fe(OH)3胶体共吸附而损失。在中和沉淀过程中分别加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙二醇(PEG)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)等表面活性剂后均能有效限制SO42-与Ni2+或Mg2+的结合，强化Fe3+的选择性沉淀。当三种表面活性剂的浓度均为2×10-5 mol/L时，Ni2+在中和沉铁过程的保留率可达95%左右，Mg2+可达100%。

多针电晕放电协同Ag/TiO₂纳米催化剂脱除空气中低浓度甲苯研究

闫妍朱斌徐力朱益民

过程工程学报. 2023, 23(11): 1568-1576. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223021

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采用多针电晕放电与Ag/TiO2纳米催化剂的原位耦合构建等离子体催化系统，对系统的放电特性进行诊断，并对催化剂进行表征研究；研究等离子体催化系统对空气中低浓度甲苯的脱除性能，并监测系统脱除甲苯过程中产生的有害副产物臭氧；探讨等离子体催化系统脱除低浓度甲苯及控制副产物臭氧生成的内在机制。研究结果表明，当放电电压高于7.0 kV时，等离子体可弥散于整个放电间隙内，Ag/TiO2纳米催化剂的涂覆未影响放电的正常进行，利于反应气体、等离子体及催化剂间的相互作用；Ag/TiO2纳米催化剂的Ag粒子粒径约为6.5 nm，可以创造大量高活性Ag-TiO2界面位点，并能吸收利用等离子体辐射的紫外-可见光；当放电电压为7.5 kV时，单纯多针电晕放电所得甲苯转化率与CO2选择性分别为21%与7%，等离子体催化系统则使二者分别提升至83%与61%，并将过程中副产物臭氧的浓度由5.12 mg/m3降至0.02 mg/m3以下；多针电晕放电协同Ag/TiO2纳米催化剂系统所展现的优异性能可归因于光、电及界面催化间产生的高效协同作用对反应活性物种转化路径的调控和对甲苯脱除反应路径的拓展。本研究工作可为等离子体催化技术在室内空气净化领域的应用与发展提供重要参考。

小型医疗废物解耦焚烧处理系统的实验验证

刘新华韩健郝江平李荣咸虹名胡善伟张楠兰昊

过程工程学报. 2023, 23(11): 1577-1586. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223067

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由于医疗废物对人体和环境的危害性，即使是少量医疗废物也需要及时快速无害化处理，这对那些偏远而分散设置的众多中小型医疗机构十分重要。但是，目前还缺乏有效的小型医疗废物清洁高效处理成套技术，难以实现对其快速无害化和减量化处理的需求。本工作针对现有小型医疗废物焚烧处理面临的燃烧与烟气净化方面的问题，基于解耦燃烧原理设计了一种适宜分散性医疗废物高度集成清洁处理的焚烧炉和系统，并进行实验测试。结果表明，解耦焚烧炉可充分实现医疗废物的高效燃烧、抑制氮氧化物(NOx)和二噁英(PCDD/Fs)的生成；两级湿法小型烟气净化装置可使烟气急速降温以避免二噁英的生成，同时可高效脱除酸性物质和粉尘(PM)。典型混配医疗废物经系统处理后，烟气污染物NOx, SO2, PM, CO和PCDD/Fs等的排放浓度按O2浓度11vol%的折算值分别低于123, 1.8, 38, 53 mg/m3和0.31 ng I-TEQ/m3。新开发的小型医疗废物焚烧处理系统采用燃烧与净化一体化集成设计，结构紧凑，净化效率高，可满足分散医疗机构的日常医疗废物的就地快速洁净处理需要。

回转窑内煤粉燃烧影响因素数值模拟

王燕鹏刘义伦李和平李明飞郭秀珍章思超

过程工程学报. 2023, 23(11): 1587-1598. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222400

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为提高回转窑内煤粉燃烧效率，实现回转窑的节能运行，建立了回转窑内煤粉燃烧数学模型。通过控制单一变量和设计多指标正交试验工况，研究了空气过剩系数、煤粉粒径、旋流角度、内外风量比4个因素对回转窑内煤粉燃烧的影响，得到了最优操作参数组合。结果表明，随着空气过剩系数和煤粉粒径增大，火焰长度增大、火焰直径减小，火焰变得细长。随着旋流角度增大，火焰形状变短变粗。随着内外风量比增大，火焰长度先增大后减少、火焰直径先减少后增大。四个因素按影响程度从高到低排序依次为煤粉粒径、内外风量比、空气过剩系数、旋流角度。回转窑内煤粉燃烧的最优操作参数组合为空气过剩系数1.1、煤粉粒径40 μm、旋流角度25°、内外风量比0.9。相较原始工况，优化工况的火焰长度和火焰直径分别增大了8.9%和13.9%。

静电耦合亲和层析纯化人血清白蛋白的研究

王思栋王留洋冯雪张松平张万忠罗坚

过程工程学报. 2023, 23(11): 1599-1607. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223062

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人血清白蛋白(Human Serum Albumin, HSA)是人血清中含量最丰富的蛋白，约占血清总蛋白含量的40%~60%。商品化的白蛋白亲和介质(Cibacron Blue F3GA)的配基毒性大、易脱落、载量低，纯化白蛋白回收率较低。本研究制备了一种新型静电耦合亲和介质(DASA-Sepharose, 3,5-Diaminobenzoic Acid n-Octyl Succinic Anhydride-Sepharose)，并通过一步层析从人血清中高效纯化白蛋白。DASA-Sepharose介质采用3,5-二氨基苯甲酸间隔臂将正辛基琥珀酸酐亲和配体偶联于琼脂糖微球。DASA-Sepharose间隔臂上的羧基通过静电作用吸附白蛋白，进而与正辛基琥珀酸酐亲和配基协同作用实现静电耦合亲和吸附，在保持亲和吸附高特异性的同时大大提高了吸附载量。采用牛血清白蛋白(Bovine Serum Albumin, BSA)为模型蛋白考察了NaCl浓度和溶液pH对介质静态吸附载量(Qm)的影响，NaCl浓度为0.025~0.06 mol/L时Qm几乎不受影响，而NaCl浓度在0.1 mol/L及以上时Qm显著下降，在pH=5.00的20 mmol/L PBS缓冲体系中，Qm为75.43 mg/mL介质。相比商品化的白蛋白亲和介质Cibacron Blue F3GA的Qm (20 mg/mL介质)提高了约2.7倍。DASA-Sepharose介质能通过一步层析法以较高的收率(94.34%)和纯度(98.20%)从人血清中直接提取白蛋白。圆二色光谱和华法林钠法测定纯化白蛋白的二级结构和小分子药物结合活性，与标准人血清白蛋白基本一致。采用DASA-Sepharose介质可以实现人血清白蛋白的高效分离，本工作为人血清白蛋白的分离纯化提供了新方法。

面向精馏控制的能耗数据监测

夜晨任嘉敏徐童翟持

过程工程学报. 2023, 23(11): 1608-1615. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223001

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在“双碳”目标背景下，寻求面向工业数据的精确监控，并实现精馏过程节能操作十分重要。本工作针对精馏过程塔顶、塔釜存在热耦合的情况，提出了统计过程控制(Statistical Process Control, SPC)和工程过程控制(Engineering Process Control, EPC)相结合的精馏过程监控策略，并以苯塔精馏的解耦控制为案例，探讨系统引入阶跃、斜坡扰动时，联合EPC与SPC对该过程控制/操作变量的均值漂移工况进行分析。仿真结果显示，针对塔顶回流阀坏导致回流量斜坡上升的情况，发现EPC在较长时间内能维持塔顶、塔釜温度稳定，但是SPC识别出塔顶、塔釜能耗均可能上升的情况。因此，精馏过程在传统EPC控制下，增加SPC可有效预报出精馏控制冷、热能耗均同时、同向漂移的情况，为提前判断并避免非必要能耗提供监测及诊断依据。

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