过程工程学报

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过程工程学报. 2024, 24(4): 0.

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正电子发射粒子示踪的关键技术与进展

李坤吴利芸陈平韩焱

过程工程学报. 2024, 24(4): 381-390. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223266

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多相流参数检测对工业过程装置的设计和优化至关重要，但其多尺度与内在复杂性限制了对多相流动过程的理解，在流动机制方面仍有许多关键问题尚未明晰。正电子发射粒子示踪(PEPT)是一种面向工业过程中复杂多相流的新型无扰、无损的核成像方法，利用γ光子探测对放射性标记的示踪颗粒进行三维动力学成像。由于γ光子具有高穿透性、不受电磁场影响等特点，使得PEPT在非透明复杂多相流检测上具有独特优势。目前主要应用于化工、食品、制药等工业领域内多相流动现象的测量和系统物理参数提取。然而，小型化示踪颗粒制备困难、多个示踪颗粒同时定位效果差等问题严重阻碍了PEPT技术的进一步应用和推广。本工作首先介绍了PEPT技术的基本原理；然后重点从示踪颗粒、算法、硬件系统、数据处理及应用等方面讨论了PEPT关键技术及其研究进展，并指出其中存在的问题和潜在的发展方向；最后，对PEPT技术的发展和应用进行总结和展望。

基于OpenFOAM的精馏塔内气液两相流传热传质模拟

焦云鹏周晓庆陈建华

过程工程学报. 2024, 24(4): 391-402. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223180

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对于精馏塔内的多相传质过程，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)不仅可用于模拟流动现象，而且可以用于研究传热传质过程及其与流动的相互作用规律。基于之前精馏塔板气液流动模拟的研究工作，本研究应用OpenFOAM平台的多相流求解器，考虑了能量方程与组分输运方程，构建了精馏体系的传热传质模型，分别对环己烷-正庚烷理想体系与乙醇-水非理想体系进行了模拟，并分析了塔板上气液两相流动、组分浓度及温度等参数的分布规律。对于理想体系，理想溶液传质模型能够较准确地预测多层塔板上的温度及浓度场；对于非理想体系，需要在理想溶液传质模型的基础上引入活度系数模型，为此对比了UNIQUAC与NRTL两种活度系数模型的效果。在当前模拟框架下，引入活度系数模型有助于提升非理想体系温度场与浓度场的模拟精度，两种活度系数模型预测的整体趋势与文献结果基本一致，但在数值上UNIQUAC模型与文献结果吻合更好。此外，气液两相流场与浓度场分布的对比分析表明，液相的循环流动能够提升塔板的局部传质效率，导致液相入口与塔板堰处的效率高于塔板中心，但是循环区域内气液两相无法及时更新，将导致塔板整体传质效率下降。以上研究有望用于精馏塔板的设计与优化，为提高精馏塔传质效率、降低精馏能耗提供指导，对于其他气液两相流的CFD传热传质模拟也具有参考价值。

不同桨型组合淤浆聚合釜内固液悬浮特性研究

赵阳谢明辉向家伟刘肖肖李帅亮吕世军吴亮周国忠张庆华杨超

过程工程学报. 2024, 24(4): 403-413. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223210

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针对高密度聚乙烯搅拌式聚合釜物料体系，利用三叶后掠式搅拌桨HQ、抛物线圆盘涡轮式搅拌桨BTD、三宽叶旋桨式搅拌桨KHX、桨叶安放角δ分别为45°和75°的斜叶圆盘涡轮式搅拌桨ZY和平直叶圆盘涡轮式搅拌桨PY构成四种桨型组合，在直径T=480 mm的圆柱形有机玻璃搅拌槽内进行了固液悬浮实验。基于计算流体力学软件Ansys Fluent 2020R2，采用多重参考系法以及欧拉-欧拉多相流模型，研究了各桨型组合在30.71%固含率下的流场和固液悬浮状态。研究结果表明，转速小于250 r/min时，桨型组合2和3在搅拌槽内顶部会形成清液层；桨型组合1和4能在更低转速和更低功率的情况下达到物料的均匀混合状态，且桨型组合4比桨型组合1的功率消耗降低约30%，具有高效节能的效果。模拟获得的固含率分布趋势与实验所测数值吻合较好。模拟的流场表明桨型组合4和1的流型相似，可以有效避免桨型组合2和3在低转速下出现的清液层。

焦炭塔的CFD模拟与温度场调控

陈渤燕曹玉亭张勇孙国刚刘银东王路海

过程工程学报. 2024, 24(4): 414-424. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223145

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焦炭塔是石油化工中常见的重油轻质化利用的反应器，由于内部温度高，实验监测困难，加之内部流动、传热、反应过程复杂，塔内温度场分布不均匀，给反应过程的精准调控带来巨大挑战。本研究根据焦炭塔内气相、液相以及焦炭的分布规律，采用连续介质模型(欧拉方程)模拟气体、液相石油以及焦炭运动，并耦合三相间的传热模型和七集总反应动力学模型，建立了焦炭塔的多尺度计算模型。通过与釜式反应器焦化实验对比，验证了模型的准确性。进一步模拟了焦炭塔中试装置的进料和中间相沥青质成焦过程，研究了不同操作温度下焦炭塔内的流场、温度场分布以及产物的变化规律，从而为精准调控焦炭塔生焦过程提供依据。

700 t/d浮法玻璃熔窑中玻璃液流动特性与澄清过程研究

金明芳何峰谢峻林梅书霞李全亮

过程工程学报. 2024, 24(4): 425-434. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223215

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从新的视角研究了浮法玻璃熔窑中玻璃液的流动与澄清。利用Ansys CFD软件，对浮法玻璃熔窑内玻璃液流场进行了模拟计算，分析了池窑内玻璃液温度分布和流动特性，在此基础上进一步分析了玻璃液气泡的澄清过程。结果表明，沿窑长方向，玻璃液表面与池底温度分别呈现两个山形分布，玻璃液在池窑内形成三个大范围环流，澄清部前进流和回流速度均先增大后减小。池深方向由液面到池底，玻璃液温度呈梯状递减，在离液面约400 mm深度处液流前进速度为0，热点以后此面以上液流向卡脖平稳流动，到达卡脖处的最短时间为418 s，在此时间内，直径大于1.2 mm的气泡在随液流到达卡脖前可排出，直径小于1.2 mm的气泡能否排出还需进一步研究气泡的上浮和变化规律。

气固鼓泡床结构双流体模型及其模拟验证

罗节文王雅彬李稳王国胜赵碧丹王军武

过程工程学报. 2024, 24(4): 435-444. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223225

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气固鼓泡流化床因具有较好的传热传质特性已被广泛应用于工业生产，而气泡这类非均匀结构普遍存在于流化床中，它显著影响流化床内动量、能量和质量传递以及化学反应过程。合理描述非均匀结构与三传一反的定量关系对提高连续介质模型模拟的准确性至关重要。结构双流体模型在控制方程及本构关系方面均考虑气固系统内非均匀特性的影响，是一种逻辑自洽、完备地考虑了介尺度结构的全新连续介质模型；本研究拓展了结构双流体模型应用于鼓泡流化床的数值模拟，在构造控制方程时将系统划分成颗粒主导的乳化相和气体主导的气泡相这两类相互渗透的连续流体，同时构造本构关系时涉及的气泡直径、乳化相固含率及黏度等均考虑非均匀结构影响。模拟结果表明，结构双流体模型可成功预测鼓泡床系统内的气固流动特性，同时确定气泡直径影响稀/密相相间相互作用，对模拟结果影响显著。

含GNs甲醇-水二元工质热虹吸管的动力电池散热特性研究

鲁进利周帅杰韩亚芳孙彦红黄茹

过程工程学报. 2024, 24(4): 445-452. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223231

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动力电池工作温度过高和温差过大都会导致其性能快速衰退，有效的热管理系统应将电池最高温度和电池模块表面温差控制在允许范围内。基于石墨烯纳米颗粒的甲醇-水二元混合工质热虹吸管的传热特性研究结果，选用充液率50%、石墨烯含量0.02wt%的甲醇-水二元工质热虹吸管为换热器件，搭建电池热管理实验测试装置，研究了模拟电池在1, 1.5, 2 C三种放电倍率下的散热性能，与自然对流和强制风冷散热进行对比。结果表明，热管散热方式三种放电倍率对应的电池最高温度分别为28.89, 32.12及35.76℃；热管散热方式平均升温速率最低，在2 C放电倍率时仅为0.525℃/min；2 C放电倍率下热管散热系统相比风冷散热方式温度下降了22.48%，相比自然对流温度下降了49.13%；三种放电倍率下热管散热系统的散热效率最高，且均超过了70%。研究结果可为热管散热系统应用于电池热管理系统提供理论依据和数据支撑。

液态Ag-O系表面张力和表面过剩量的理论计算

李天骕刘剑雄单显祥李堪鹏

过程工程学报. 2024, 24(4): 453-461. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223179

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本工作利用表面能与内聚能的比例关系，计算了液态Ag的表面张力和表面过剩熵。结果显示，随着温度的升高，表面张力近似线性下降，表面过剩熵也逐渐减小，这表明液态Ag表面总是保持有序结构。在此基础上，证明了Ag-O系具有理想溶体性质，并简化了Butler方程，修正了液态Ag-O系表面张力关于氧气压力和温度的预测模型。结果表明，当氧气压力低于10 kPa时，液态Ag-O系的表面张力与温度呈负相关；而当氧气压力高于10 kPa时，随着温度的升高，表面张力呈现先增大后减小的趋势。此外，还探究了O原子的表面偏析行为。研究发现，表面偏析因子与温度和氧气压力均呈负相关，在较低的温度和氧气压力下，O原子倾向富集于表面。

终轧温度对低屈强比桥梁耐候钢组织及力学性能的影响

刘文胜张可徐党委孟少博黄重夏志升张明亚孙新军

过程工程学报. 2024, 24(4): 462-469. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223247

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采用Gleeble-3800热模拟试验机、拉伸试验机、显微硬度计等设备，并结合光学显微镜(OM)和电子背散射衍射(EBSD)等表征方法，研究了终轧温度对Cu-Cr-Ni低屈强比桥梁耐候钢组织和力学性能的影响，并阐明了其具体的变化机理。结果表明，终轧温度880℃下的Cu-Cr-Ni桥梁耐候钢组织为粒状贝氏体，随着终轧温度由880℃降低至800℃，组织中出现针状铁素体并逐渐增多；M/A岛的平均尺寸由1.3 μm增大至3.3 μm，且面积分数由21.7%增大至32.3%；基体中的位错密度显著升高，主要是由基体回复程度大幅降低导致的。此外，Cu-Cr-Ni桥梁耐候钢的硬度及屈服强度随着终轧温度的降低而有所升高，屈服强度由435 MPa增大至496 MPa，抗拉强度基本不变，约为710 MPa，这是由显微组织中的针状铁素体、M/A组元和位错密度等因素共同决定。屈强比增大但总体低于0.7，塑性略有提高。

铌钽精矿氢氟酸-硫酸混酸浸出过程及其动力学

梁耕宇苏学斌刘会武刘康程浩

过程工程学报. 2024, 24(4): 470-479. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223211

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铌、钽作为稀有贵金属，因其优良的物理性质和稳定的化学性质，在高精尖器械及军事装备领域被广泛应用。我国铌钽资源丰富，多为共伴生矿床，与多种金属矿物共存，具有较高的综合利用价值。针对铌钽精矿中铀、钍及稀土资源分离及回收问题，采用HF-H2SO4混酸法优先提取铌、钽，同时将铀、钍及稀土富集于渣中。本研究应用单因素试验法研究了铌、钽的浸出规律，并讨论了过程机理及其动力学。结果表明，使用高浓度HF，提高HF、H2SO4用量有利于铌、钽的浸出，减小矿石粒径、提高温度和延长浸出时间均能提高铌、钽浸出率。获得的最优浸出参数如下：HF浓度40wt%、HF用量1120 g/kg、H2SO4用量392 g/kg、平均粒径-25 μm (75%)、浸出温度80℃、浸出时间4 h。此条件下铌浸出率大于98%，钽浸出率大于97%，铀、钍及稀土保留在渣中，渣中富集率达3.0~4.2。动力学研究表明，铌、钽的浸出过程符合收缩核模型，并属于混合控制类型，铌、钽的表观活化能分别为34.00和36.26 kJ/mol。该方法有效提取了铌、钽并对其余有价元素进行富集，为后续分离提纯工艺的设计奠定基础。

席夫碱法制备大孔聚合物肝素亲和层析介质

古嘉如王楠马磊乔娟靳海波何广湘赵岚黄永东张荣月

过程工程学报. 2024, 24(4): 480-488. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223167

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肝素亲和层析介质因其专一性好、操作条件温和等特点，广泛应用于蛋白分离纯化，本工作以大孔聚丙烯酸酯微球为基质，肝素为配基，利用席夫碱法制备了肝素亲和层析介质。配基偶联经过三步完成，首先将大孔聚丙烯酸酯微球表面环氧基团通过0.5 mol/L H2SO4水解为邻羟基，然后将邻羟基氧化为醛基，最后利用醛基与肝素分子的胺基反应将肝素分子固定于微球表面。以溶菌酶为模型蛋白，主要考察了肝素偶联反应的各因素对蛋白结合容量的影响规律，包括肝素浓度、缓冲液pH及浓度、反应时间等，建立了最优偶联肝素配基的方法。所得亲和介质静态结合容量可达40.3 mg/mL，比商品GP-肝素介质高约36%，经1.0 mol/L的氯化钠洗脱，其蛋白回收率达到95%。通过扫描电子显微镜表征微球表面形貌，观察到偶联肝素后的微球仍能保持其大孔结构。考察了该类亲和介质在不同操作流速(31.8~318 cm/h)下的动态结合容量，发现操作流速提高10倍后介质结合容量仅下降12%。经10次重复使用后，动态结合容量仍可保持初始容量的81%。用于混合蛋白模型中分离乳铁蛋白，结果表明具有良好的分离效果。

螺旋藻培养液高效循环利用及其生长抑制因子的鉴定

周悦王玉曹雷鹏刘玉环樊瑞娟黄正花温子轩

过程工程学报. 2024, 24(4): 489-500. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223192

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针对螺旋藻培养耗水量大、成本较高、营养元素浪费严重且其培养液循环利用过程中生长受到严重抑制等问题。本工作采用0.45 μm滤膜、10 kDa超滤膜、大孔树脂S-8和活性炭处理螺旋藻培养液，评估处理后的培养液循环利用5次后，螺旋藻的生长及营养成分含量变化，并分析鉴定胞外抑制的组成成分。结果表明，螺旋藻培养液的处理可有效降低胞外有机物的抑制效果，其处理效果顺序为10 kDa超滤膜>大孔树脂S-8>活性炭>0.45 μm滤膜。培养液循环利用5次后，10 kDa超滤膜处理组的螺旋藻细胞干重仅下降5.9%，而0.45 μm滤膜处理组的细胞干重显著降低22% (p<0.05)，且由于细胞代谢的胁迫作用，其胞内多糖含量却增加了217%。此外，培养液中的胞外抑制物主要是由岩藻糖(19.98%)、鼠李糖(15.61%)和葡萄糖(14.75%)等单糖组成的多糖类有机物。

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