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    1. 高温煅烧脱除磷酸铁中硫的研究
    娄文博 张盈 张洋 王晓健 李建中 乔 珊 郑诗礼 张 懿
    过程工程学报    2022, 22 (2): 268-275.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221043
    摘要526)      PDF (1247KB)(114)    收藏
    磷酸铁是合成磷酸铁锂电池正极材料的主要原料,目前多采用硫酸亚铁和磷酸盐共沉淀方法制备。硫酸体系内共沉淀获得的磷酸铁中硫杂质含量较高,目前采用水洗方式脱除,吨磷酸铁洗水用量需60~100吨,硫酸盐废水处理成本高。为从源头削减磷酸铁脱硫过程产生的大量废水,根据硫酸盐高温分解的性质,提出磷酸铁高温煅烧脱硫新方法,开展了热力学可行性计算与高温煅烧脱硫动力学研究。结果表明,磷酸铁中硫元素主要以硫酸根形式存在,高温煅烧可有效促进含硫杂质分解,温度越高,脱硫效果越好。高温煅烧脱硫过程反应动力学级数为2,活化能为88.075 kJ/mol,属于化学反应控制。在温度1173 K、煅烧时间10 min的条件下,磷酸铁中硫杂质含量可降至0.01wt%以下。
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    2. 硬碳负极材料的热稳定性及其钠离子电池安全性能评测
    杨馨蓉 车海英 杨轲 潘朝梁 廖小珍 马紫峰
    过程工程学报    2022, 22 (4): 552-560.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220420
    摘要355)      PDF (2636KB)(62)    收藏
    钠离子电池作为一种有应用前景的能量储存系统,技术发展日趋完善。钠离子电池由于钠资源丰富,在大规模储能及低速电动车应用等领域具有成本优势,引起学术及产业界的广泛关注。随着钠离子电池产业的推进,电池安全性是亟待研究及数据积累的重点问题之一。近年来,随着电动汽车数量的增加和动力电池能量密度的提高,汽车安全事故时有发生,究其原因多为电池单体热量耗散造成。本工作从负极硬碳材料热稳定性、电芯过放电、极端破坏(挤压针刺等)和热失控等方面对钠离子电池进行安全性评测。结果表明,电解液的存在会降低嵌钠态硬碳的稳定性,且随负极嵌钠量增加,放热峰的位置也随之前移且更明显;与无过放电芯比较,软包电芯过放电至0 V对电芯的长循环稳定性基本无影响,循环500周后的容量保持率基本一致,且电流密度大小(0.1和1 C)对电芯容量恢复和循环性能亦无明显影响;挤压针刺测试结果表明钠离子电池安全性能良好,绝热加速量热仪(ARC)测试发现电芯安全性能并未随着荷电状态(SOC)增加趋于不稳定,实验结果表明30% SOC状态下电芯安全性最好。
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    3. 废锂离子电池的热处理:过程污染物迁移和转化
    黄翰林 刘春伟 姚少杰 孙峙
    过程工程学报    2022, 22 (3): 285-303.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221070
    摘要225)      PDF (2565KB)(95)    收藏
    废锂离子电池中不仅富含我国高对外依存度的关键金属,还含有重金属、有机污染物等有毒有害物质,具有资源与环境的双重属性。推进其高效循环利用是保障新能源汽车等战略新兴产业可持续发展的关键。锂离子电池组成结构复杂,有机物成分变化大、种类多,常规的火法和湿法冶金过程容易产生二次环境危害,不利于资源的清洁循环利用。热处理作为保障废锂离子电池中有价金属资源有效回收的重要技术,近年来受到了行业的广泛关注。热处理技术具有二次污染小、设备简单、过程易放大、经济性高等诸多优势。结合热处理技术对废锂离子电池回收中的污染物进行源头治理,既能实现清洁生产,也能强化后续深度处理。本工作立足于行业现状和战略需求,重点讨论了废锂离子电池预处理中的污染物产生、迁移和转化规律,对比总结了热处理在杂质去除和污染防控等方面的技术优势。同时,对废锂离子电池的热处理工艺进行了系统分类,总结了不同热处理条件下的物质转化规律。
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    4. 低温甲醇水重整制氢催化剂研究进展
    申展 江志东 张鹏飞 张子瑜 车海英 马紫峰
    过程工程学报    2022, 22 (5): 573-585.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221147
    摘要218)      PDF (1690KB)(82)    收藏
    甲醇具有结构简单、含氢量高、产能大等优点,利用甲醇与水蒸气进行重整是一种节能高效的现场制氢方式。甲醇水蒸气重整(MSR)与燃料电池联用能够实现多场景应用,但由于反应温度较高(250~300℃),存在启动速度较慢、副产CO含量较高和热效率较低等问题。低温甲醇水重整(LT-Methanol Water Reforming, LT-MWR)包括低温甲醇水蒸气重整(LT-MSR)与液相甲醇水重整(Aqueous-phase Reforming of Methanol, APRM),反应通常在200℃以下进行,同时保持较高的反应活性,进而能够减少预热时间、减弱副反应发生,且能与燃料电池实现更强的热耦合。本工作首先介绍了商用催化剂优异的性能与存在的缺陷,然后对低温甲醇水重整制氢催化剂,诸如Cu基催化剂、贵金属催化剂与光协同催化剂的研究进展进行了回顾。归纳了低温铜基催化剂的改性策略,包括合成方法、结构设计与元素掺杂。对国内外商用CuZnAlOx催化剂结构与性能的测试表明,其转化率高和稳定性好,存在的缺陷是价格较贵且在低温区催化活性急剧下降。Cu基催化剂活性受温度影响较大,在低温区活性很低,但通过适当的改性能够实现其应用价值,其改性策略包括合成方法、结构设计与元素掺杂。贵金属催化剂低温下活性较高,但存在价格昂贵、合成复杂等缺点。光协同催化剂则是在光照条件下进行催化重整,尚处于研究阶段。对于Cu基催化剂,合成方法的改进能够大大改善催化剂的微观混合程度与可重现性。适当的结构设计可提升催化剂的比表面积与热稳定性。元素掺杂则能够提升活性组分的分散度,修饰催化剂表面结构。三种改性策略能够有效提升Cu基催化剂低温下甲醇重整制氢的性能,在保持较高活性的同时,降低CO副产物的含量。展望了低温甲醇水重整制氢催化剂的发展前景和挑战,对催化剂的开发与应用有指导意义。
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    5. 变压精馏分离丙酮和环己烷的动态特性
    张春花 诸林 吕利平 周倩 金仕胜
    过程工程学报    2022, 22 (2): 249-257.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221022
    摘要211)      PDF (1545KB)(36)    收藏
    基于丙酮-环己烷共沸体系的压力敏感性,利用Aspen Plus软件,以年度总费用(TAC)最小为目标函数对常规、部分及完全热集成变压精馏工艺进行稳态模拟与优化,并以经济最优的完全热集成变压精馏工艺为基础,借助Aspen Plus Dynamics软件建立多种不同控制结构,通过改变进料流量和进料组成考察了控制结构的有效性,并提出塔底热负荷/进料量比例控制与组成-温度串级控制相结合的改进控制结构。稳态模拟与优化结果表明,常规、部分和完全热集成三种工艺的最小TAC分别为3.64×105, 2.83×105, 2.76×105 $/y,经济最优工艺为完全热集成变压精馏。动态响应结果表明固定回流量/进料量控制结构在响应时间方面优于固定回流比控制结构,但产品纯度未达到设计值99.9wt%;而塔底热负荷/进料量比例控制与组成-温度串级控制相结合的改进控制结构能够有效保证产品纯度在99.9wt%及以上。
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    6. 基于多GPU并行格子Boltzmann方法的方管湍流模拟
    胡涛 向星 葛蔚 王利民
    过程工程学报    2022, 22 (3): 318-328.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221118
    摘要201)      PDF (5619KB)(143)    收藏
    采用CUDA (Compute Unified Device Architecture)和MPI (Message-Passing-Interface)在超级计算机Mole-8.5E上实现了格子Boltzmann方法(LBM)多GPU并行算法,通过三维顶盖驱动方腔流算例验证了多GPU并行LBM算法的准确性和有效性,利用该并行算法分别对雷诺数Reτ为300, 600, 1200下的充分发展的方管湍流进行了大规模模拟。研究发现,当计算网格尺寸小于黏性底层厚度(即Δ+<5)时,在壁面附近的相关传递特性统计误差较小,预测精度满足工程应用范围;Reτ为300, 600时,不同网格尺寸Δ+下的模拟结果表明LBM在方管流中心湍流特性统计具有网格弱相关性,Reτ为600时,与DNS (Direct Numerical Simulation)相比,Δ+=1.667, 3.750, 6.250时平均流向速度的平均误差分别是1.357%, 2.994%和4.766%;Reτ分别为300, 600和1200时,对应网格尺寸Δ+分别为0.833, 1.667和3.333时的方管湍流模拟中,成功捕捉到了二次流特性,预测得到的中心面流向速度、脉动均方根速度等的规律与文献基本吻合,进一步验证了单松弛LBM的可靠性,相关计算结果也为理解高Reτ下的方管湍流特性提供了参考。方管湍流的模拟验证了单松弛LBM多GPU并行算法在超大规模网格计算中的潜力,为进一步实现实际工程流动所需更大规模的数值模拟奠定了基础。
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    7. 5 V尖晶石型无钴LiNi 0.5Mn 1.5O 4正极材料进展综述
    靳佳 魏进平 周震
    过程工程学报    2022, 22 (4): 421-437.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221115
    摘要201)      PDF (11182KB)(269)    收藏
    作为下一代锂离子电池或固态电池的候选正极材料,镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4正在吸引研究者的兴趣。本工作介绍了LiNi0.5Mn1.5O4的晶体结构、合成方法、电化学反应机制、材料的电学属性以及材料的优势,同时介绍了目前阻碍其产业化应用所存在的技术障碍:高温循环差、过程库伦效率低、金属溶出及相变、高电压下电解液分解、全电池产气等。针对存在的主要技术问题,深入讨论分析其内在的原因,并总结了若干材料层面的解决思路:微观形貌调控、新黏结剂匀浆策略、掺杂、包覆、高电压电解液匹配、制备过程控制、全电池应用研究等,另外还推测了可能的应用场景。LiNi0.5Mn1.5O4材料的商业化应用还有赖于电池层面的精细结构设计。综述目的是希望研究者更加关注LiNi0.5Mn1.5O4材料的产业化应用研究。
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    8. 扭曲椭圆管强化传热研究进展及应用
    李修真 谈莹莹 袁俊飞 王占伟 王林
    过程工程学报    2022, 22 (5): 561-572.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221153
    摘要197)      PDF (6683KB)(161)    收藏
    扭曲椭圆管因结构简单、强化传热及阻垢性能优异,近年来成为被动强化传热领域研究热点之一。虽已有文献对扭曲椭圆管换热器技术进行了综述,但对扭曲椭圆管强化传热特性的归纳和工程应用研究脉络的梳理存在不足,本工作着眼于扭曲椭圆管内外传热及流阻性能研究、扭曲椭圆管换热器研发和工程应用两方面内容,概括了扭曲椭圆管(束)结构、工质、流动状态对传热性能及流阻特性的影响规律;回顾了扭曲椭圆管换热器工程应用案例,总结了有关扭曲椭圆管研究尚待完善之处,并对扭曲椭圆管强化传热研究的发展趋势进行展望,为深化扭曲椭圆管理论研究和工程实践提供指导和参考。
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    9. 紫精类变色材料的合成与应用研究
    赵高峰 赵炜珍 刘晓敏
    过程工程学报    2022, 22 (3): 304-317.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221132
    摘要195)      PDF (1614KB)(43)    收藏
    紫精是一种具有显著光学对比度、较高着色效率、独特氧化还原稳定性的化合物。它易于进行分子设计以及被用于大面积器件的制作。由于其独特的性能,紫精类变色材料在军事伪装、屏幕显示、信息存储、智能变色窗等领域都有着广泛的应用前景,成为当前研究的热点之一。随着智能材料的迅速发展,科研工作者对紫精基变色材料(包括小分子紫精衍生物、紫精功能共轭聚合物,基于紫精的有机/无机复合材料)的研究也逐渐深入。本工作对近年来紫精变色材料的研究进展进行了综述,重点介绍了紫精的合成与应用、离子液体和聚离子液体在紫精变色领域中的应用以及目前国内外企业和研究单位的研究现状,并从工业应用方向讨论了紫精变色材料目前存在的问题和未来的潜在应用。
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    10. 双极膜电渗析法制备1,5-戊二胺
    董梦莹 孙玉柱 杨晨
    过程工程学报    2022, 22 (4): 523-532.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221102
    摘要189)      PDF (1317KB)(21)    收藏
    1,5-戊二胺(C5H14N2)是生物法制备尼龙材料的重要原料,具有广泛应用前景。利用双极膜电渗析产碱技术可将盐溶液中的1,5-戊二胺盐转换为1,5-戊二胺,实现生物发酵液中1,5-戊二胺的无害化提取过程。本工作用1,5-戊二胺硫酸盐模拟生物发酵液的主要成分,探究了不同电流模式、电流密度、盐室初始浓度及杂质离子对1,5-戊二胺制备过程指标产生的影响,分析了双极膜在长时间运行后膜表面的损伤和污染情况。结果表明,料液中的硫酸根离子可以有效地被分离,在电流为3.6 A的恒流模式下,1,5-戊二胺回收率可达到97.5%以上;在电压为29 V的恒压模式下,1,5-戊二胺回收率可达到90%以上。高至3.45 kWh/kg双极膜在反复使用35次左右后,其阳离子交换层表面出现损伤的迹象,阴离子交换层表面黏附微量固体污染物。
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    11. 改性电炉钛渣矿相解构法制备富钛料新工艺研究
    周育生 邱冠周 景建发 郑富强 王帅 陈凤 郭宇峰
    过程工程学报    2022, 22 (5): 651-659.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221137
    摘要187)      PDF (1869KB)(25)    收藏
    以氧化后的钛精矿电炉冶炼渣为研究对象,采用一段氟化氢铵浸出-二段盐酸浸出的新工艺制备可用于沸腾氯化生产的富钛料原料,从浸出反应热力学和改性钛渣浸出行为两方面进行了系统的研究。氟化氢铵浸出热力学研究表明,氟化氢铵浸出可分解硅酸盐和部分黑钛石,并形成CaMg2Al2F12, CaF2和AlF3沉淀,浸出后杂质元素硅主要以(NH4)2SiF6的形式进入到浸出液中。氟化氢铵浸出实验表明,在氟化氢铵浓度为15wt%、液固比为10:1、温度20℃、浸出时间2 h的条件下,Si, Al, Ti, Fe, Ca和Mg元素的浸出率分别为93.55wt%, 28.03wt%, 3.88wt%, 20.50wt%, 3.40wt%和2.45wt%。浸出渣中主要的物相为金红石、黑钛石和钙镁氟化盐。氟化浸出残渣的盐酸浸出热力学表明,CaMg2Al2F12, CaF2, AlF3沉淀和剩余的黑钛石可溶解于盐酸溶液中。盐酸浸出实验表明,在盐酸浓度为20wt%、液固比为8:1、温度120℃、浸出时间2 h的条件下,Ca, Al, Mg, Ti, Si和Fe的浸出率分别为86.78wt%, 62.33wt%, 92.31wt%, 18.08wt%, 40.23wt%和75.36wt%。盐酸浸出后浸出渣主要物相为金红石,TiO2品位95.20wt%、CaO含量为0.49wt%、MgO含量为0.48wt%,满足沸腾氯化法对原料成分的要求。
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    12. 界面增容剂的结构对PLA/PP共混体系界面状态及性能的影响
    樊炳宇 陈鑫亮 杨利 高尚 谢永健 王振峰 王平 刘瑾
    过程工程学报    2022, 22 (3): 413-420.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221087
    摘要171)      PDF (5317KB)(20)    收藏
    通过在聚乳酸(PLA)和聚丙烯(PP)共混体系中分别引入马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH)和甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-GMA),制备出具有不同结构及性能的共混材料(PLA/PP/POE-g-MAH,PLA/PP/POE-g-GMA),并采用转矩流变仪、扫描电子显微镜、差示扫描量热仪、平板流变仪及电子万能试验机等研究了不同界面增容剂的结构对PLA/PP共混体系界面状态及性能的影响。结果表明,POE-g-MAH和POE-g-GMA均可改善PLA与PP的相界面形态,但与POE-g-GMA相比,POE-g-MAH的界面催化效率更高,对PLA/PP共混体系增容效果更好,其可诱导PLA与PP在界面处形成微交联结构,增强PLA与PP的界面相互作用,改善材料的机械性能,当添加4wt%的POE-g-MAH时,PLA/PP/POE-g-MAH共混物的拉伸强度达29.7 MPa,断裂伸长率提升至39.3%,较PLA/PP样品提高了8倍;并且共混材料的冲击强度随着POE-g-MAH含量的增加而增加,当其添加量为6wt%时,材料冲击强度达30.1 kJ/m2,材料具有较好的刚韧平衡性。
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    13. 催化臭氧氧化降解水中有机污染物的研究进展
    王书欢 周理龙 李正杰 韩继龙 刘润静 Jimmy Yun
    过程工程学报    2022, 22 (5): 586-600.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221094
    摘要168)      PDF (7082KB)(42)    收藏
    水污染是当前工业发展中亟待解决的问题之一,催化臭氧氧化降解有机污染物工艺具有绿色、高效和工艺简单的优点而被广泛应用,而其中的关键在于催化剂的选用。本研究对均相催化臭氧氧化和非均相催化臭氧氧化过程的机理进行了分析和总结,着重讨论了非均相催化臭氧氧化过程常采用的贵金属催化剂、过渡金属催化剂、碱土金属催化剂和非金属催化剂对臭氧氧化降解有机污染物的促进作用,对提高这些催化剂催化活性的方法进行了综述,总结了pH值、臭氧浓度、催化剂剂量和有机污染物浓度对催化臭氧氧化降解有机物过程的影响。指出目前催化臭氧氧化降解有机污染物过程面临的主要问题是活性组分的流失导致催化剂催化活性下降。在今后的研究中,开发和制备新型、高效、绿色、稳定的催化剂以及探究最佳工艺条件仍是研究的重点。可以通过提高催化剂的吸附能力以改善臭氧在水溶液中的传质,促进臭氧分子的分解,还可以通过不同活性组分的协同偶联有效抑制活性组分的流失,提高催化剂催化活性的同时提高催化剂的稳定性,以达到高效降解有机化合物的目的。
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    14. 己二胺与碳酸二乙酯催化羰化合成己二氨基甲酸酯
    袁浠焘 黄科林 王利国 贺鹏 曹妍 徐爽 陈家强 李会泉
    过程工程学报    2022, 22 (3): 393-402.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220438
    摘要163)      PDF (1657KB)(23)    收藏
    以碳酸二乙酯(DEC)、1,6-己二胺(HDA)为原料、无水醋酸锰为催化剂,合成了1,6-六亚甲基二氨基甲酸乙酯(HDEC)。通过红外光谱、核磁共振氢谱、气相色谱确定HDEC标样的结构和纯度,并建立了定量分析方法。进一步采用气质联用对反应的主副产物进行定性分析,推测反应路径。同时,对合成工艺进行反应参数优化,并推测反应机理。结果表明,该反应通过两步实现,首先HDA与DEC反应生成单取代的1-(6-氨基)-六亚甲基单氨基甲酸乙酯(HMEC)中间体,HMEC进一步与DEC羰化反应生成HDEC目标产物,同时反应过程中DEC与HDA以及HMEC反应生成脲类副产物。在最佳反应条件原料DEC与HDA摩尔比为3.5:1、反应温度120℃、无水醋酸锰催化剂用量为HAD初始用量的15%、反应时间5 h、转速400 r/min下,HDA转化率为100%,HDEC收率达89.6%。本研究为非光气法合成六亚甲基二异氰酸酯(HDI)重要中间体HDEC提供理论借鉴。
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    15. 铝佐剂颗粒化乳液制备及其免疫效果研究
    彭沙 夏宇飞 高晓冬
    过程工程学报    2022, 22 (2): 195-203.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221017
    摘要161)      PDF (4377KB)(24)    收藏
    铝佐剂是我国唯一临床批准使用的疫苗佐剂,但其自身难以引发有效的细胞免疫应答,无法对机体产生综合性的保护,难以满足日益增长的疫苗佐剂需求。因此,如何合理化改造铝佐剂,保证疫苗佐剂的安全及高效诱导免疫反应是亟待解决的问题。本工作通过对商品化铝佐剂制备乳液超声条件的优化,最终研究表明当颗粒浓度为2.0 mg/mL,水相缓冲液选择蒸馏水且pH为7.0时能制备得到稳定的颗粒化乳液(Alum Particulate Emulsion, APE),制备得到的乳液平均粒径为2723.7±435.3 nm,Zeta电位为+40.5±1.5 mV。离心发现此时体系中没有游离的铝佐剂,表明2.0 mg/mL是能稳定乳液的最小颗粒浓度。将乳液与抗原共混,测量抗原的吸附率,结果显示,抗原的吸附率接近100%,共聚焦的结果也验证了乳液对抗原的高吸附特性。当乳液与DC (Dendritic Cells)细胞共孵育,可以观察到乳液的内吞及溶酶体逃逸,而传统的铝佐剂无法实现。ELISpot结果显示,APE组脾细胞中分泌IFN-γ的T细胞数量比铝佐剂组增加300%左右。将铝佐剂通过颗粒化的策略制备得到APE以后,改变了佐剂增强抗原的免疫效果,显著提升了传统铝佐剂的细胞免疫效果。
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    16. 轻质双相高熵合金Al 20Li 20Mg 10Sc 20Ti 30热力学性质的第一性原理研究
    王玮 杨锦 丁凝 陈晓桃 唐壁玉
    过程工程学报    2022, 22 (3): 403-412.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221086
    摘要159)      PDF (1617KB)(26)    收藏
    采用特殊准随机结构(Special Quasi-random Structure, SQS)处理高熵合金固溶体的化学无序性,并基于密度泛函理论研究了具有面心立方(Face-centered Cubic, FCC)和密排六方(Hexagonal Close-packed, HCP)结构的Al20Li20Mg10Sc20Ti30高熵合金的结构稳定性和热力学性质。理论得到的两个相的晶格常数与实验测量值符合较好。两相中,由于HCP相具有较FCC相略大的体模量,因而其具有较好的抗压缩性能。由于计算得到的两个相在0 K时的形成焓都为小的正值,因而两个相都为热力学亚稳结构。采用Debye-Grüneisen模型研究了不同温度下两个相的热力学性质,结果表明两个相的体模量随温度的上升表现出缓慢的下降趋势,且HCP相的体模量大于FCC相,而FCC相具有更大的体积热膨胀系数。研究了两个相的熵(包括振动部分的贡献和电子部分的贡献)随温度的变化,结果表明在研究的温度范围内,HCP相比FCC相具有更大的熵,且两个相的熵的主要来源都为振动部分的贡献。
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    17. 吸附法脱除废水中四环素的研究进展
    兰雄 刘钦 周新涛 罗中秋 赵晓腾 陆艳
    过程工程学报    2022, 22 (8): 989-1000.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221261
    摘要158)   HTML0)    PDF (6695KB)(70)    收藏
    四环素(TC)是目前生产和使用量比较大的一种广谱抗生素,其化学性质较稳定且难以代谢而容易富集于土壤和水体中。抗生素的滥用不仅使细菌耐药性增加,而且会产生抗性基因并诱导产生超级细菌,因此对含TC废水的无害化处理刻不容缓。吸附法具有易操作、去除率高、经济、环保等优点,被广泛认为是一种高效去除抗生素方法。吸附法去除废水中四环素所用的吸附材料类型不同、种类繁多,本工作总结了炭质材料、金属有机框架材料和矿物材料这三类常用吸附剂,列举了上述材料对TC的吸附容量,分析了pH值、温度、离子强度和其他因素对TC吸附过程的影响。在此基础上,分析这三类材料吸附TC时不同吸附动力学和热力学模型的拟合情况,发现大多数材料的吸附动力学采用准二级动力学模型而吸附热力学采用Freundlich热力学模型能更好地描述其吸附过程。阐述了去除TC过程中所涉及的机理。对这三类材料吸附TC研究中存在的优势与不足进行比较,展望了今后的研究重点,为加快制备更经济、高效、可再生的TC吸附材料提供参考。
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    18. 明胶基天然高分子/氧化石墨烯复合微胶囊的制备及调湿性能
    侯雪艳 泥立豪 赵海涛 张文博 张玉琦 王记江
    过程工程学报    2022, 22 (2): 214-221.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221035
    摘要157)      PDF (5433KB)(10)    收藏
    利用调湿材料的吸放湿性能调节湿度是一种环保节能的被动调湿技术,广泛应用于室内调湿、食品包装、文物保护等领域。采用壳聚糖、液体石蜡、氧化石墨烯(GO)为微胶囊核心材料,利用壳聚糖和GO的静电作用形成类似表面活性剂亲水亲油结构的壳聚糖-GO结合体,在乳化剂和壳聚糖-GO结合体共同作用下乳化获得乳胶束,然后以此乳胶束为模板,采用戊二醛交联法制备了明胶基天然高分子/GO复合微胶囊(M-GO)。考察了GO用量、乳化pH值对乳液胶束粒径和稳定性的影响。在最佳乳化条件下制备了微胶囊,并研究了GO的引入对微胶囊的结构和吸/放湿性能的影响。通过傅立叶红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、氮气吸附对微胶囊的结构进行表征,通过测试微胶囊吸湿率和放湿率研究其调湿性能。结果表明,当GO用量为3 mL (1 mg/mL)、乳化pH值为5.10时,乳化形成的乳液粒径均匀且乳液的稳定性较好。GO与壳聚糖、明胶相互作用成功制备了微胶囊,未引入GO的微胶囊呈封闭的微球结构,当引入GO后所得的微胶囊M-GO为壳层开孔的中空结构,具有较大的比表面积和孔体积,有利于对水分的吸附。M-GO在不同湿度下的饱和吸湿量、吸湿/放湿率均优于未引入GO微胶囊,说明GO通过改变微胶囊的微结构、增加吸附水分的表面积,从而能够提高调湿性能。
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    19. 多孔介质中CO 2-CH 4水合物置换过程的强化方法研究进展
    张学民 李银辉 张山岭 张梦军 李金平 王英梅
    过程工程学报    2022, 22 (4): 438-447.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221122
    摘要156)      PDF (992KB)(31)    收藏
    CO2置换天然气水合物中的CH4是一种非常有前途的天然气水合物开采方法,该法兼具能源安全开采和温室气体地层封存的双重优势。首先综述了多孔介质中CO2-CH4水合物置换的研究进展,分析了制约CO2置换法开采天然气水合物商业应用的关键瓶颈问题,即置换过程存在的反应周期长、速率慢和效率低等问题。针对此问题,主要详述了强化CO2-CH4水合物置换的强化方法研究进展,包括注入不同的CO2相态、小分子及混合气体的强化、结合传统开采法的联合强化以及其他强化方法的作用机理,讨论了各种强化方法尚待完善和改进的地方。最后提出了多孔介质中CO2-CH4水合物置换强化方法目前研究的不足和未来的研究方向。
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    20. CaY分子筛对乙二醇和1,2-丁二醇吸附分离性能的研究
    仪凡 贺鹏 曹俊雅 曹妍 王利国 陈家强 李会泉
    过程工程学报    2022, 22 (4): 448-457.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221007
    摘要153)      PDF (2418KB)(185)    收藏
    利用装填有CaY分子筛的固定床对乙二醇和1,2-丁二醇吸附分离进行研究,从水、甲醇、乙醇和正丙醇中筛选出正丙醇为最佳洗脱溶剂,并探究了进样流速(0.4, 0.8, 1.2 mL/min)及操作温度(298, 318, 338 K)对穿透曲线的影响,对测得的穿透曲线采用Modified Dose-Response模型进行拟合,与实验结果能够高度吻合。并采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)研究混合醇在CaY分子筛内部的竞争吸附,模拟了乙二醇和1,2-丁二醇在CaY分子筛内部的吸附位点,发现其吸附位点几乎重合,且CaY分子筛对乙二醇的吸附量要大于1,2-丁二醇,此模拟结果为实验结果提供了微观理论支撑。
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    21. 双金属改性ZSM-5-USY复合分子筛催化裂解正己烷制备低碳烯烃
    张凯伦 焦念明 张莹 郝鹏波 张国霞 王慧 李增喜
    过程工程学报    2022, 22 (4): 458-468.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221037
    摘要147)      PDF (1380KB)(36)    收藏
    为了获得催化裂解制备低碳烯烃的高效催化剂,以等体积浸渍法制备了系列单金属(Ce, Y, Zr, Mn, Cu)及双金属(Zr-Ce, Mn-Ce, Y-Ce, Cu-Ce)改性ZSM-5-USY复合分子筛催化剂,通过XRD, NH3-TPD, BET等方法表征了其物理化学性质,并将所制备催化剂用于催化裂解正己烷。结果表明,催化剂的弱酸量越多,正己烷转化率及C2~C4烯烃选择性越高,Zr-Ce共改性分子筛的催化活性较优。水蒸气处理对Zr-Ce/ZSM-5-USY催化剂的酸性及催化裂解产物分布有较大影响,经水蒸气处理的催化剂性能更稳定,可将裂解产物中低碳烯烃的选择性由20.02% (催化剂未经水蒸气处理)提高到57.55% (催化剂经水蒸气处理4 h)。研究了0.25% Zr-0.5% Ce/ZSM-5-USY催化体系的裂解反应动力学,正己烷裂解为一级反应,裂解活化能为88.93 kJ/mol。
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    22. 基于分子动力学模拟的羟基改性调控活性炭对甲苯吸附性能的作用机理研究
    肖邦 曹青 马培勇 毕海林 李鹏程
    过程工程学报    2022, 22 (5): 660-670.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221125
    摘要147)      PDF (3688KB)(32)    收藏
    本工作通过在六苯并苯分子边缘植入羟基构建不同羟基含量的改性活性炭,采用分子动力学和巨正则蒙特卡罗模拟研究了改性活性炭模型的物理性质、局部电荷和孔径分布,进一步分析了甲苯分子在改性活性炭中的动力学特性和吸附机理。结果表明,引入羟基可加强活性炭对甲苯的吸附能力。在较高相对压强下,羟基含量为39.4%是活性炭改性的最佳浓度,超过此浓度后甲苯的吸附量下降。改性活性炭羟基中强电负性的氧原子与甲苯甲基中的氢原子配合成Lewis酸碱对,形成稳定的吸附结构,进而增强活性炭对甲苯的吸附能力。在较低相对压强下,影响吸附量的主要因素为孔隙率和孔径大小;羟基含量为20.8%和31.4%的改性活性炭内多为微孔且结构较为紧密,使得其吸附甲苯效果较好。羟基改性使得甲苯分子在活性炭内的自扩散系数降低,且在含39.4%羟基的活性炭中扩散系数最低,这是由于甲苯分子与改性活性炭之间的非键相互作用阻碍了甲苯分子的运动。此外通过变温吸附研究发现,由于活性炭吸附甲苯过程具有放热性质,温度升高不利于甲苯的吸附。
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    23. ARTP选育ε-聚赖氨酸高产菌株及其发酵条件优化
    徐祖伟 季立豪 唐文秀 郭亮 陈修来 刘佳 刘立明
    过程工程学报    2022, 22 (3): 347-356.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221100
    摘要146)      PDF (1224KB)(23)    收藏
    ε-聚赖氨酸(ε-PL)是由25~35个L-赖氨酸单体组成的一种天然聚合物,在食品、医学、农药等领域有很大的应用潜力。目前,微生物法生产ε-PL存在生产强度低、发酵周期长、工艺不稳定等问题。为此,本研究以S.albulus FMME-545为出发菌株,通过常温常压等离子诱变(ARTP)结合核糖体工程选育了一株具有利福霉素抗性的高产菌株S.albulus FMME-545RX,其ε-PL产量达到2.44 g/L,相较于出发菌株提升了105%。为了进一步提高ε-聚赖氨酸的产量,在5 L发酵罐中通过分批补料的方式对碳源的调控策略、pH调控方法、DO控制水平进行了系统的研究。结果表明,采用葡萄糖-蔗糖双碳源调控策略有助于提高菌体代谢强度;在发酵过程中添加柠檬酸钠能有效帮助菌体抵御酸性环境;产物合成所需的最适pH值和DO值分别为3.80和30%。经过192 h的分批补料发酵,ε-PL的产量、生产强度、单位细胞合成能力分别达到了53.0 g/L, 6.63 g/(L?d), 0.88 g/g,相比于原始菌株分别提高了130%, 131%, 118%。上述研究结果为ε-聚赖氨酸工业化生产提供了有益的借鉴。
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    24. 三级活塞推料离心机数值模拟与操作参数优化
    周里群 王智明 汪振南 李玉平 黄治中
    过程工程学报    2022, 22 (3): 329-337.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221078
    摘要145)      PDF (5880KB)(30)    收藏
    针对新型三级活塞推料离心机的研发,在转鼓尺寸和物料增大情况下,操作参数对分离过程中转鼓内侵蚀现象和分离效率有重要影响。采用样机实验结合CFD数值模拟,对三级活塞推料离心机进行三维建模和仿真,并利用密集离散粒子模型(DDPM)模拟侵蚀过程。基于粒度分析可知,氯化钠颗粒粒径dm为0.070~0.200 mm时,随颗粒粒径增加,固相对离心机转鼓内部的侵蚀越大。结合响应面分析法可知,响应模型各因素的交互影响明显,以更高分离率与更低侵蚀率作为评价指标,得出最优值为推料频率40次/min、转鼓转速1431 r/min、进料浓度60%。与实验数据进行对比,模拟结果的误差在可接受范围内。
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    25. Q型静态混合器内液滴群分散特性
    孟辉波 王建宝 禹言芳 王宗勇 吴剑华
    过程工程学报    2022, 22 (3): 338-346.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221104
    摘要145)      PDF (1685KB)(27)    收藏
    静态混合器因具有结构紧凑、强化性能优异和连续性生产等优点被广泛应用于过程工业中,但Q型静态混合器(QSM)内多相流分散混合强化机理不完善制约了其在精细化工和原料药绿色生产中的应用。采用计算流体力学(CFD)耦合群体平衡方程对QSM内相含率α≤5%时液滴分散特性进行数值模拟,分析液液界面张力、动力黏度和相含率对液滴群d32的分散行为的影响。标准旋流静态混合器内的d32数值预测结果与实验结果有良好的一致性。模拟结果表明,在z/l=11.5处不同分散相d32减小73%~96%,RL-90-QSM对不同物性介质的分散混合具有高效性和普适性;在高雷诺数和低相含率下,不同分散相流过z/l=0~2时d32破碎速率最大,在z/l=2.5处d32减小51%~90%,d32随混合时间的增加逐渐减小且在z/l=10后趋于稳定;界面张力对混合结果的影响大于动力黏度。
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    26. 化学氧化强化湿法冶金清洁生产:进展与展望
    孙思涵 潘福生 谢勇冰 曹宏斌 张懿
    过程工程学报    2022, 22 (2): 145-161.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221073
    摘要144)      PDF (953KB)(45)    收藏
    湿法冶金具有能耗低、污染小等优点,广泛应用于低品位复杂矿石处理。金属浸出是湿法冶金的首要环节,但存在金属回收率低和反应时间长等问题。化学氧化可加速金属硫化物转化为金属离子或改变金属的价态,有利于后续目标金属的分离富集,在此过程中还可以通过介质强化、外场强化提高金属氧化浸出率。主要介绍了五种典型的低腐蚀性化学氧化剂(Fe3+, O2, H2O2, O3和过硫酸盐),以及相关的协同氧化方法在金属浸出中的应用和机理分析,介绍了加压强化、介质强化、微波和超声等强化方法,对比分析了各方法的优缺点及适用范围。Fe3+广泛应用于硫化矿的酸性浸出,独特的离子对循环使Fe3+可与多种氧化剂形成协同氧化浸出机制。O2常通过加压强化提升氧化浸出效率,可促进难处理硫化矿氧化分解。H2O2氧化性强,氧化产物清洁无污染,受到广泛关注,近年来多用于电子废弃物资源处理领域。臭氧预氧化处理含硫含砷难处理金精矿,可有效解除难浸硫化矿对金的包裹,促进金的溶出。过硫酸盐性质稳定,氧化能力强,可活化生成更高氧化性的活性氧。协同氧化可结合各氧化剂的优点,提高氧化能力,降低综合成本。四种强化方法可为化学氧化过程提供能量、加强传质或提高金属分离选择性,有助于提高金属浸出率,缩短反应时间。展望了化学氧化强化金属浸出技术的发展前景和技术挑战,对湿法冶金清洁生产技术开发有指导意义。
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    27. 小桐子壳热解及其挥发性产物特性分析
    丁宝平 刘慧利 李法社
    过程工程学报    2022, 22 (3): 366-375.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221053
    摘要143)      PDF (1741KB)(29)    收藏
    选用小桐子壳作为原料,采用热重-红外联用(TG-FTIR)和热裂解-气相色谱质谱联用(Py-GC/MS)技术,研究小桐子壳的热解特性以及300~800℃热解过程中产物的组分信息和有机化合物中官能团随温度的变化情况,同时利用Coast-Redfern积分法求解不同升温速率下的动力学参数。结果表明,小桐子壳的热解过程分为干燥(30~100℃)、预热解(100~258℃)、热解(258~420℃)和炭化(420~900℃)四个阶段。随升温速率升高,小桐子壳的最大质量损失率依次增加,升温速率的升高对小桐子壳热分解速率具有促进作用。随热解温度升高,吸收峰处存在明显的强度变化,CO2、醛酮类等化合物的吸收峰强度逐渐降低甚至消失;小桐子壳热解过程中的气体产物成分主要为CO, CO2, H2O等,主要挥发性有机产物为苯酚、羰基化合物、愈创木酚类等,热解温度由400℃升至700℃时,酚类化合物的峰面积比例从35.94%升至59.59%、羰基化合物的峰面积比例从36.90%降到11.87%。小桐子壳热解动力学参数n=1时,其反应表观活化能最大为61.34 kJ/mol,且三个升温速率的拟合相关系数均在98%以上。小桐子壳热解动力学参数n≠1时,选取相关系数最大时的n值为反应级数,则n=0.2,反应活化能E为47.64 kJ/mol,指数前因子A为0.83。随升温速率的升高表观活化能依次递减,且拟合相关系数均在97%以上。
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    28. 孔分布对多孔孔板流场和噪声的影响
    李倩 吉华 冯东林 张子扬 段宗幸
    过程工程学报    2022, 22 (5): 601-611.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221131
    摘要143)      PDF (1788KB)(47)    收藏
    目前多孔孔板普遍采用均匀布孔结构,广泛用于管路限流降压以及减振降噪,为了进一步提高流动稳定性以及降低流噪声,在保持等效开孔直径不变的前提下,设计了具有不同孔间距、孔数和孔径的非均匀孔分布多孔孔板模型。基于数值计算结果,详细比较了含不同孔板模型管路流场中的速度、压力、回流特性、射流会聚和流动发展等流动特征。采用声学模型计算了孔板的噪声,在中心线以及垂直于流动方向的截面上设置监测点,对比了其频谱特性和总声压级。结果表明,与均匀多孔分布的常规孔板相比,孔间距等差递减、孔板边缘的孔数增多、以及孔径在满足不减少孔数的条件下增大,均能在不影响降压能力的情况下提高流动稳定性和降低板后噪声,且其噪声值分别最大改善了5.62, 6.10和7.00 dB。
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    29. 退火气氛中CO 2含量及加热时间对钢坯氧化的影响
    曾维冬 丁翠娇 戴方钦 郭悦 潘卢伟 陈平安
    过程工程学报    2022, 22 (3): 376-384.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220297
    摘要142)      PDF (2670KB)(23)    收藏
    在热轧加热炉中,燃气热值的波动会带来退火气氛的变化,钢坯在炉停留时间也会受生产节奏变化的影响产生变化,从而造成钢坯氧化难以预测和控制。本工作在1250℃的加热温度及CO2+N2的气氛下进行实验,研究了CO2含量和加热时间对钢坯氧化行为的影响。结果表明,钢坯氧化动力学曲线分为线型和抛物线两个阶段,随着CO2含量的增加,线型阶段缩短,该阶段的氧化增重也减少;在抛物线阶段,抛物线速率常数kp与CO2含量呈对数关系。钢坯表面氧化层分为致密层和疏松层,致密层位于氧化层外侧,由Fe3O4及其还原产物FeO组成;疏松层位于致密层/金属基体之间,由FeO及其先共析产物Fe3O4组成。疏松层存在孔洞,并且CO2含量越高孔洞越多。
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    30. CH 3Cl在ZnO(001)和ZnO(100)表面吸附的第一性原理计算
    张亚卓 战金辉
    过程工程学报    2022, 22 (2): 240-248.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221064
    摘要139)      PDF (3903KB)(13)    收藏
    基于密度泛函理论的第一性原理方法,建立ZnO(100)和ZnO(001)表面的吸附模型,计算了吸附能、电荷密度、态密度以及过渡态等参数,研究了CH3Cl在ZnO不同表面、不同位点、不同吸附方式的吸附情况。结果表明,CH3Cl在ZnO(100)和ZnO(001)表面的吸附过程均为化学吸附。当CH3Cl整体吸附时,CH3Cl分子中的Cl原子可以与ZnO表面的Zn(2a)原子生成Zn-Cl键,CH3Cl在ZnO(100)表面的吸附能比在ZnO(001)表面的吸附能更低(-0.57 eV vs. -0.42 eV),体系更稳定;并且CH3Cl在ZnO(100)面吸附后,Cl原子的3p轨道态密度峰向左移动,且靠近费米能级处的峰值降低,表明Cl原子在吸附过程中提供电子,与Zn形成更稳定的相互作用。当CH3Cl解离吸附时,甲基自由基中的C原子可以分别与ZnO(100)表面的O(2a)和O(3a)吸附,CH3Cl解离吸附在Zn(2a)和O(2a)原子处的吸附能为-1.09 eV,在费米能级左侧O 2p轨道和C 2p轨道存在3个共振峰,证明C原子和O原子有较强的相互作用,而在Zn(2a)和O(3a)原子处的吸附能为-1.02 eV,且费米能级右侧O 2p轨道和C 2p轨道存在1个共振峰,表明C和O原子存在反键作用。过渡态的计算结果表明,CH3Cl解离吸附在Zn(2a)和O(2a)位点的过渡态能垒比在Zn(2a)和O(3a)位点更低(1.69 eV vs. 2.06 eV),因此CH3Cl解离吸附反应倾向于在ZnO(100)表面上相邻的Zn和O原子之间发生。
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    31. PB/ITO-PET柔性电致变色薄膜制备及性能研究
    朱多银 金志浩 李文丽 汪前雨 武荣成 崔彦斌
    过程工程学报    2022, 22 (2): 176-185.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221005
    摘要138)      PDF (2787KB)(22)    收藏
    柔性电致变色器件具有体积小、重量轻、可弯曲等优点,在可穿戴设备、曲面显示器、节能及自适应伪装等领域具有潜在应用前景。本工作以铁氰化钾、氯化钾、无水氯化铁为原料,采用电沉积方法在ITO-PET柔性基底上沉积普鲁士蓝(PB)制得PB/ITO-PET电致变色薄膜,并利用扫描电子显微镜、紫外光谱仪、电化学工作站对PB/ITO-PET电致变色薄膜微观结构和电化学性能进行分析表征。结果表明,电沉积时间为200 s时得到的PB/ITO-PET电致变色薄膜在700 nm波长处光吸收率达到0.755,且PB/ITO-PET电致变色薄膜可在较低电压(0.6 V/-0.3 V)下实现着色和褪色。其光调制范围为68%,着色/褪色响应时间分别为9 s/8 s,着色效率为108 cm2/C。PB/ITO-PET电致变色薄膜经1000次着色-褪色循环后光调制范围为68%,着色效率为100.3 cm2/C。PB/ITO-PET电致变色薄膜500次弯曲,着色效率为105.5 cm2/C,并经1000次着色-褪色循环后着色效率为91 cm2/C,光调制范围为65%。利用ITO-PET为离子存储层(对电极)、凝胶电解质和PB/ITO-PET为工作电极组装得到柔性电致变色器件,其光调制范围为53%,着色/褪色响应时间分别为13 s/18 s。
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    32. 矩形截面高宽比对射流强化螺旋通道传热性能的影响
    李雅侠 许鹏宇 韩泽民 李运杭 崔峰源 张静
    过程工程学报    2022, 22 (5): 612-621.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221123
    摘要138)      PDF (2365KB)(34)    收藏
    为了进一步探究具有不同截面高宽比的单一螺旋通道内流体湍流流动与换热特性以及射流对矩形截面螺旋通道的强化传热效果,采用计算流体动力学软件模拟研究了高宽比γ分别为0.625, 1.1, 1.6和2.5时,单一矩形螺旋通道及射流作用下螺旋通道内的湍流流场、二次流场及强化换热特性。结果表明,对于单一矩形螺旋通道,相同横截面积和流量时,仅当γ≥1.6的通道在高雷诺数下二次流会出现四涡结构,其余为两涡结构。对于单一螺旋通道,γ值越大流动阻力越小,同时换热性能越差。加入射流后,矩形截面四个壁面的换热能力均有提高,γ值越大射流的强化传热效果越显著,研究范围内局部壁面换热努塞尔数的平均值(Nulocal)m最高可为单一螺旋通道的2.51倍。考虑流量增加的影响,射流影响下的螺旋通道区域内综合强化传热因子PEC2在1.05~1.21之间。
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    33. MOCVD生产废料中镓、铟提取工艺及其动力学研究
    饶富 郑晓洪 张西华 陶天一 曹宏斌 吕伟光 孙峙
    过程工程学报    2022, 22 (5): 689-698.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221085
    摘要138)      PDF (1607KB)(29)    收藏
    近年来,LED以其节能及环境友好等特性被广泛运用于各类照明领域。作为LED产品关键部件,采用金属有机气相沉积(MOCVD)生产外延片过程产生大量的生产废料。随着LED行业的快速发展,绿色、清洁回收MOCVD生产废料备受关注。本研究以硫酸为浸出剂,重点研究了MOCVD生产废料中Ga和In元素的浸出行为和浸出动力学。通过对浸出试剂种类、H2SO4浓度、固液比、浸出温度和浸出时间等参数的过程优化,在H2SO4浓度3 mol/L、固液比50 g/L、温度80℃、反应2 h的最佳工艺条件下,Ga和In的浸出率仅为67.50%和91.46%。动力学研究表明,在293.15~333.15 K温度范围内,Ga和In的浸出动力学符合收缩核模型,浸出过程受表面化学反应和外扩散混合控制。同时,XRD和SEM-EDS结果也印证了符合收缩核模型。在293.15~333.15 K温度范围内,Ga和In的浸出活化能分别为25.7和21.7 kJ/mol。基于对Ga和In浸出行为的动力学分析,提出并验证了MOCVD生产废料强化焙烧-浸出工艺的可行性。研究结果表明,强化焙烧-酸浸工艺可以使Ga和In的浸出率分别由67.50%和91.46%提升至88.27%和98.32%,并得到了氧化镓副产品。本研究结果有望为MOCVD生产废料的工业化资源循环提供基础数据支撑和新路径选择。
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    34. 搅拌槽中酯化反应热失控的CFD模拟
    陈毕清 管小平 杨宁 白丁荣
    过程工程学报    2022, 22 (8): 1053-1060.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221317
    摘要138)   HTML2)    PDF (4055KB)(66)    收藏
    热失控是化工过程中常见的安全风险之一。在间歇釜式反应器中,桨叶的机械转动可以增强流体的循环流动、湍流强度、混合程度以及传热,进而有效防范热失控。防控效果与反应器结构和搅拌桨型密切相关。针对丙酸异丙酯酯化反应,采用计算流体力学模拟研究了桨型(Rushton桨、30o PBT桨及60o PBT桨)、转动方向和挡板对釜式反应器内温度演化的影响,从流动结构方面分析了原因。基于散度的失控判据比较了三种搅拌桨抑制热失控的能力,抑制能力为Rushton桨>30° PBTD桨>60° PBTD桨。本研究可为搅拌反应器热失控的优化设计提供一定的理论依据。
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    35. 粉煤灰基土壤调理剂作用下盐碱土壤微观结构变化规律
    董少文 马淑花 初茉 王晓辉 王月娇 刘晨旭 韩凤兰
    过程工程学报    2022, 22 (3): 357-365.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220371
    摘要136)      PDF (1636KB)(22)    收藏
    以宁夏银北地区典型盐碱土壤为研究对象,采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、比表面全自动物理吸附仪(BET)以及扫描电子显微镜(SEM)等测试技术对粉煤灰基土壤调理剂作用下盐碱土壤颗粒微观结构进行研究和系统表征。结果表明,利用调理剂改良后土壤矿物的主要成分未发生改变,但是添加调理剂后土壤有新晶相方解石生成;土壤的pH值大幅降低,由9.01降低到7.66;土壤红外吸收变化较小,Si-O-Si和有机质吸收峰略有增强;随着调理剂的增加,土壤小颗粒开始团聚,孔隙率逐渐增加,以添加2.5wt%组为例,15天后样品孔隙率达到21.30%,30天后样品孔隙率达到25.29%,约为未添加调理剂组的两倍;土壤颗粒的比表面积略有增加,30天后由初始的23.06 m2/g增加到25.55 m2/g。
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    36. 磷钼钒酸催化甲基丙烯醛氧化反应机制及过程研究
    张晟林 于佳元 王蕾 闫瑞一 李春山
    过程工程学报    2022, 22 (3): 385-392.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221067
    摘要135)      PDF (1291KB)(35)    收藏
    围绕甲基丙烯醛选择性氧化制甲基丙烯酸的反应过程,利用原位红外分析装置研究了甲基丙烯醛在磷钼钒酸催化剂上的原位吸附和反应过程,发现了甲基丙烯醛在杂多酸催化剂桥氧键吸附产生的中间结构,并提出了该催化过程的反应机理。进一步获得了不同温度下反应过程的中间状态,发现钒氧物种由一级结构迁移至二级结构能有效提高催化性能。优化了催化剂预还原温度,250℃下还原3 h后催化剂活性最高。
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    37. 水相中合成木质素环氧树脂及其在木材胶黏剂中的应用
    王勇 殷亚庆 李青云 唐爱星 赵磊 刘幽燕
    过程工程学报    2022, 22 (5): 671-679.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221198
    摘要135)      PDF (3898KB)(21)    收藏
    以木质素为原料,在水相中合成一种适用于木材胶黏剂的木质素环氧树脂。为了考察木质素环氧化反应条件对木质素环氧树脂的羟基和环氧基的影响,以及对胶合板的胶合强度的影响,采用FT-IR和31PNMR对木质素环氧树脂结构进行表征,并用TG和DTG对木质素环氧树脂的热稳定性进行分析。结果表明,环氧化反应主要发生在酚羟基上,在反应过程中,相比环氧氯丙烷,NaOH的加入量对木质素环氧树脂结构和胶合板的胶合强度影响更大。随NaOH加入量增加,木质素环氧树脂中环氧基团逐渐增多,胶合板的胶合强度呈现先升高、后降低的趋势。当木质素的羟基与NaOH摩尔比为1:1时,由木质素环氧树脂制得的胶合板胶合强度达到最大,湿强度达1.61 MPa,超过国家标准II类板的要求(≥0.7 MPa)。采用扫描电镜研究了黏接机理,发现环氧化程度提高时,固化后的木质素环氧树脂的结构更加稳定且致密,导致胶合板的胶合强度也提高。但过高的环氧化程度会增大胶黏剂的粒径,导致胶黏剂与木板不能形成更好的机械互锁结构,从而降低胶合板的胶合强度。还进一步简化了木质素环氧树脂木材胶黏剂的合成工艺,使环氧化反应后的体系无需处理即可直接应用于木材胶黏剂,减少了胶合板生产工艺流程。此外,经过30天的储存期,胶黏剂黏合强度没有明显下降。通过与商业脲醛树脂木材胶黏剂对比,其黏接强度可以达到商业脲醛树脂的水平。
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    38. 黏结煤与不黏煤共热解特性研究
    李福俊 刘周恩 高士秋 金鑫 谢以民 何志鹏
    过程工程学报    2022, 22 (5): 640-650.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221084
    摘要134)      PDF (1566KB)(155)    收藏
    为了利用内构件反应器热解技术实现黏结性煤的高值化利用,采用TG-MS和固定床反应器研究了黏结的山西兴县煤(简称XX煤)与不黏的先锋褐煤(简称XF煤)共热解时的破黏和热解特性。TG-MS实验结果表明,XX煤与XF煤配制的混合煤比XX煤黏性小,且XF煤促进了XX煤热解,混合煤热解行为是两种煤共同作用的结果。固定床热解实验表明,煤粒径越小,降黏越显著;XX煤和XF煤的比例(XX:XF)越小,降黏越显著,XX:XF小于5:5时,可消除结焦团块;XX:XF越小,半焦产率越低,焦油和煤气产率越高;随XX:XF减小,焦油中<170℃和230~300℃的馏分含量先升后降,XX:XF=6:4~3:7时最高,170~210℃、210~230℃和300~360℃的馏分逐渐增加,>360℃的馏分含量不断降低;随XX:XF的减小,H2含量先升高后降低,在XX:XF=3:7时最高;CO含量呈略微升高趋势;CO2含量先逐步升高,在XX:XF=6:4达到最高,然后从XX:XF=5:5开始降低,在XX:XF=3:7达到最低,然后又开始升高;CH4及C2~C3组分含量呈下降趋势,而H2+CO+CH4 (煤气中有效组分之和)的含量先下降再升高接着再降低,在XX:XF=6:4时最低,XX:XF=3:7时最高。XX:XF越小,虽半焦的C/N和C/H不断减少,但C元素含量增幅和N, H元素含量减幅增大;比表面积越大,内孔结构越多越大,起燃温度越低,燃烧越彻底。
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    39. 聚结层排布对高压天然气净化用滤芯过滤性能影响的实验研究
    何军 钟晓峰 陈锋 黄壮壮 刘家畅 吴瑶晗 姬忠礼
    过程工程学报    2022, 22 (2): 276-284.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221353
    摘要133)      PDF (1154KB)(16)    收藏
    本工作利用聚结滤芯过滤性能实验装置,通过改变滤芯内部的滤材排布,研究了聚结层为单一滤材以及由不同滤材排布组合的滤芯过滤性能,分析了聚结层排布方式对过滤效率、压降、饱和度及液体分布的影响。结果表明,由单一滤材组成的滤芯过滤效率随滤材孔径减小而增大,但孔径最小时由于压降较高,导致滤芯综合过滤性能反而最差。疏油在前、亲油在后的聚结层排布方式可提高滤芯过滤效率、减少液滴二次夹带,且以两层相同滤材交错排列的滤芯过滤效率比单层滤材交错排列明显更高,压降也相对较低,使得综合过滤性能显著提升。继续增加进气侧的疏油滤材层数可延缓压降增长、提高运行寿命,滤芯稳态品质因子达到最大值(0.30 kPa-1)。聚结层排布方式对滤芯过滤性能的影响主要通过改变液体分布形式而实现,且末层滤材的通道结构变化是导致不同聚结层排布方式的滤芯过滤性能出现差异的主要原因。
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    40. 用于超声造影成像的颗粒稳定气泡制备
    张晴 吴颉 马光辉
    过程工程学报    2022, 22 (6): 828-838.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221185
    摘要131)   HTML3)    PDF (4303KB)(41)    收藏
    超声成像由于其无创无痛、可实时监测以及成本低廉等优点,被广泛用于多种疾病诊断。但是,某些人体组织回声较弱,需要借助具有强回声特性的超声造影剂微气泡来实现对比成像。目前临床批准使用的微气泡多采用表面活性剂或磷脂作为稳定剂,其稳定效果有限、血液循环时间短,限制了对小病灶等需要长时间观察的病变部位的检查能力。颗粒稳定气泡(Particle Stabilized Bubbles, PSBs)是由颗粒代替传统表面活性剂稳定的气泡,由于其具有高稳定性、低毒性等优势,有望用于超声造影。但目前关于颗粒稳定气泡的制备及应用研究较少,其原因主要在于体系对颗粒的接触角范围要求很窄,一旦超过界定范围,则气泡稳定性急速下降。本工作以制备出稳定的颗粒稳定气泡,考察其作为超声造影剂的效果为目标。通过筛选不同亲疏水性的颗粒作为稳定剂,并对其荷电性、浓度、粒径、水相及气相等因素进行考察,制备得到了由壳聚糖纳米颗粒(CNPs)稳定的颗粒稳定气泡(CPSBs)。并在此基础上,通过细胞毒性实验、溶血性、病理切片等实验评价了体系的生物安全性,通过小动物超声成像仪考察了其体内外造影性能。实验结果表明该体系具有良好的生物安全性以及良好的体内外造影能力,表明其具有作为超声造影剂应用的潜力。
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