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    1. 钠离子电池电解液添加剂研究进展
    郭玉玥 翟笑影 张宁博
    过程工程学报    2023, 23 (8): 1089-1101.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223104
    摘要528)   HTML31)    PDF (3494KB)(440)    收藏
    随着能源革命的高涨,二次电池作为新型储能方式受到人们的广泛关注。钠离子电池与锂离子电池工作原理相似,且在资源储备、成本低廉、低温、倍率及安全性能方面具有极大优势。钠离子电池体系中,电解液作为衔接正负极材料体系的中间桥梁,发挥着至关重要的作用,而添加少量的功能性分子可以使电池整体性能实现显著提升。本工作围绕电解液添加剂进行介绍,综述了近年来不饱和碳酸酯、含硫化合物、含磷化合物、含硅化合物、无机钠盐及其他类型组分在钠离子电池电解液中的研究进展和相关机理。最后从科学理念和实际应用的角度出发,对电解液添加剂的未来研究进行展望。
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    2. 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
    摘要280)   HTML89)    PDF (47402KB)(291)    收藏
    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。
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    3. 生物合成尼龙新材料核心单体二元胺研究进展
    蔺琨 李壮 王坤 毕莹 纪秀玲 张志刚 黄玉红
    过程工程学报    2023, 23 (7): 958-971.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223147
    摘要293)   HTML13)    PDF (1140KB)(226)    收藏
    二元胺是聚酰胺、聚氨酯和聚脲等高分子材料合成的核心单体,生产需求巨大。在碳中和大背景下,合成生物基二元胺是实现低碳生产和可持续发展的有效途径,借助合成生物学、代谢工程、蛋白质工程等策略能够设计和开发高效的二元胺生物合成关键酶和途径。本工作简述了1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6-己二胺的天然或人工合成路径,围绕微生物从头合成发酵和全细胞催化两种合成策略综述了二元胺的合成进展,丁二胺的生物合成主要包括鸟氨酸脱羧与赖氨酸脱羧路径,目前主要以发酵法生产丁二胺,但丁二胺的产率较低,不能达到工业生产的需求;戊二胺的生物合成路径为赖氨酸脱羧,主要采用发酵法和全细胞催化法,其中全细胞催化合成戊二胺更为高效,技术趋于成熟,已被广泛应用于规模化生产;己二胺目前主要是通过构建人工途径进行生物合成。另外,针对二元胺生物合成过程遇到的副产物多、菌株活性差、产率低、分离纯化困难等问题与挑战,提出了结合代谢工程和蛋白质工程优化关键酶催化、探索二元胺积累造成细胞损伤的影响机制、增强酶催化专一性和活性以提高生产强度、优化发酵体系、简化后续分离纯化步骤等提高生物合成二元胺的方法,同时指明了未来生物基二元胺工作的重要方向并展望了生物基二元胺的发展前景。
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    4. MOF基混合基质气体分离膜界面作用调控研究进展
    巩莉丽 白菊 王璨 赖卫 单玲珑 罗双江 刘植昌
    过程工程学报    2023, 23 (4): 489-500.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223054
    摘要259)   HTML20)    PDF (7406KB)(215)    收藏
    混合基质膜结合了无机填充材料和聚合物组分的双重优势,被认为是一种可同时增加渗透性和选择性的新型方法,有望解决传统聚合物膜的Trade-off效应。混合基质膜的气体分离性能主要依赖无机填充材料的分子筛分性质和高分子本身的化学结构,因此适当选择无机填充材料对于制备高性能的混合基质膜十分重要。金属有机骨架(MOF)作为一种新型多孔填料,具有比表面积大、密度小、孔隙率高和孔尺寸可调等优点,因此在气体吸附分离和气体储存等领域应用广泛,为新型混合基质膜带来良好的发展机遇。但混合基质膜的分离性能并不是简单地两相性能相加,在大多数情况下分离性能远低于材料模拟的预测理论值,造成这种非理想性的关键因素之一是MOF晶体和聚合物之间的界面缺陷,这可能导致界面非选择性空隙的形成、聚合物硬化和孔隙堵塞等界面问题,降低膜的分离性能。因此,实现MOF-聚合物基质间的界面作用调控以改善界面相容性是充分发挥MOF基混合基质膜气体分离潜力的关键。本工作综述了MOF基混合基质膜近五年关于不同类型界面作用调控的方法及策略,及其对气体分离性能的影响。最后,总结构建的界面作用对于混合基质膜性能的正面影响并提出当中存在的问题,为混合基质膜未来的发展提供指导,并激励研究人员采取更多的策略来解决目前的挑战。
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    5. “双碳”背景下新能源固态电池材料理论设计与电池技术开发进展
    徐红杰 汪光辉 苏钰杰 张志高 李海通 杨中正 王雨晨 胡林悦 曹国钦
    过程工程学报    2023, 23 (7): 943-957.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223113
    摘要200)   HTML7)    PDF (4779KB)(214)    收藏
    由于可充电锂金属电池(LMBs)具有较高理论能量密度,在便携式电子设备、电动汽车和智能电网等方面有重要应用。以固态电解质和锂金属负极组装的固态电池(ASSBs)具有高安全性,被认为是可提高电池能量密度和有效解决安全问题的一种有前景的电池技术。然而,LMBs在实际实施过程中仍面临许多挑战,如库仑效率低、循环性能差和界面反应复杂等。深入分析ASSBs的物理基础和化学科学问题对电池开发具有重要意义。为了证实和补充实验研究机理,理论计算为探索电池材料及其界面的热力学和动力学行为提供了一种强有力的支撑,为设计综合性能更好的电池奠定了理论基础。本工作论述了理论计算方法在电池关键材料计算中的应用和研究意义;综述了硫化物固态电解质中Li10GeP2S12 (LGPS)及银硫锗矿体系的理论和结构设计思路,包括锂离子的输运机理和扩散路径。分析了新型反钙钛矿Li3OCl和双反钙钛矿Li6OSI2电解质体系的理论设计思路。综述了氧化物固态电解质体系在缺陷调控下锂离子的输运机理。此外,本工作针对新型卤化物电解质体系的理论设计也进行了介绍。介绍了计算材料学在电池材料性能研究中的作用:借助理论手段分析离子传输机制、相稳定性、电压平台、化学和电化学稳定性、界面缓冲层和电极/电解质界面等关键问题;理解原子尺度下的充放电机制,并为电极材料和电解质提供合理的设计策略。总结了固态电解质和ASSBs电极与电解质间界面的理论计算的最新进展。最后,对ASSBs理论计算的不足、挑战和机遇进行了展望。
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    6. 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
    摘要124)   HTML4)    PDF (6139KB)(187)    收藏
    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。
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    7. 锂离子电池热管理技术研究进展
    李嘉鑫 李鹏钊 王苗 陈纯 闫良玉 高月 杨生宸 陈满满 赵财 毛景
    过程工程学报    2023, 23 (8): 1102-1117.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223094
    摘要264)   HTML20)    PDF (13593KB)(179)    收藏
    高效的电池热管理技术对于锂离子电池的安全运行、长循环使用寿命以及整体成本的降低至关重要,且对推动锂离子电池的大规模应用具有重要意义。本综述详细讨论了几种主流的电池热管理技术,即空气冷却、液体冷却、新型的相变材料冷却和热电冷却技术,并对电池产热模型进行了简要阐述,最后对电池冷却技术的发展方向进行了展望。空气冷却技术结构简单,但难以保证电池组内电芯温度的一致性,不适用于大型锂离子电池组的冷却,更多应用于小型飞行电动设备和低端车型中。冷却板液冷技术的冷却效果较好,但存在冷却液泄漏风险且需要进一步提高均温性。浸没式液冷技术的冷却和均温效果显著,但价格昂贵,未来可能会更多地应用到冷却要求较高的储能电站中,而对于大多数锂离子电动汽车而言,成本更低的冷却板液冷技术是更好的选择。相变材料冷却和热电冷却技术无移动部件,在电子设备和小型动力设备领域实现了初步商业化应用,但冷却效率较低,还需要进一步优化。值得注意的是,根据用户的需求来选择合适的冷却技术是十分关键的,虽然目前没有完美的冷却方案,但可以通过复合使用多种冷却技术的方式来满足更多应用场景的热管理需求。
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    8. 封面和目录
    过程工程学报    2023, 23 (7): 0-.  
    摘要90)      PDF (2307KB)(177)    收藏
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    9. 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
    摘要147)   HTML5)    PDF (5476KB)(139)    收藏
    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。
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    10. 锂硫电池中多硫化锂捕获研究进展
    胡婷婷 刘海建 陈云逸 刘伶俐 戴春爱 韩永生
    过程工程学报    2023, 23 (9): 1231-1243.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222413
    摘要151)   HTML16)    PDF (6063KB)(138)    收藏
    锂硫电池具有超高的理论比容量(1675 mAh/g)和理论比能量(2600 Wh/kg),并且单质硫在地球中的储量丰富、价格低廉、提取过程对环境友好,因此,锂硫电池被认为是未来储能系统的理想储能单元。然而,锂硫电池在充放电过程产生的多硫化锂中间体易溶于电解液,导致电解液的黏度增加,离子导电性降低。此外,溶解的多硫化锂通过在正负极之间迁移,与锂负极发生反应,产生严重的穿梭效应,造成活性物质硫的不可逆损失,极大地降低了电池的寿命和安全性,也阻碍了锂硫电池的商业化进程。近年来人们通过物理吸附、化学作用及外场约束等策略来攻关这一难题,并取得较好的结果。本文总结了物理、化学、外场三种捕获多硫化锂方法的研究进展,讨论了每种方法捕获多硫化锂的特点及其对锂硫电池电化学性能的影响,并对其未来发展进行了展望。
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    11. 封面和目录
    过程工程学报    2023, 23 (9): 0-.  
    摘要68)      PDF (4613KB)(137)    收藏
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    12. 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
    摘要145)   HTML2)    PDF (8891KB)(132)    收藏
    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。
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    13. 固定床催化剂成型工艺研究进展
    刘闪闪 丁其达 郭涛 王耀锋 徐宝华
    过程工程学报    2023, 23 (4): 501-511.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222088
    摘要196)   HTML8)    PDF (1464KB)(129)    收藏
    催化技术的进步源自社会需求(如环境、能源、化学品、燃料等),其最终目标是在放大规模上提高工艺效率。成型催化剂通常是由活性相、载体和多种适于商业应用的成型添加剂构成的多组分毫米级物体。与粉末催化剂不同,成型催化剂除了具备粉末催化剂的催化活性外,还必须考虑黏合剂、润滑剂、酸以及致孔剂的使用应满足工况条件下的机械强度和化学稳定性的需要,以确保其在工业反应器中可以平稳运行同时具有长寿命。此外,成型催化剂的形状与尺寸通过影响反应器内部物料的流动状态,进而影响催化反应效果。因此,成型过程是复杂且充满挑战的。本工作介绍了固定床用催化剂成型工艺方面的研究进展,主要阐述了添加剂的种类、添加量、添加顺序、煅烧条件、浆料配比及成型催化剂的形状等因素对其力学性能以及催化性能的影响规律。此外,还介绍了Weibull分布在催化剂强度值可靠性判断及预测方面的应用,以及计算流体力学模拟在辅助催化剂形貌设计方面的进展,指出Weibull分布和计算流体力学在未来催化剂成型应用的潜力。
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    14. 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
    摘要176)   HTML7)    PDF (4290KB)(125)    收藏
    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。
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    15. 基于正交法及Kriging模型的生物反应器搅拌桨优化设计
    李树勋 马廷前 胡迎港 于孟瑶 刘斌才
    过程工程学报    2023, 23 (4): 523-533.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222144
    摘要139)   HTML4)    PDF (23933KB)(118)    收藏
    针对搅拌桨标准中设计参数区间大,生物反应器搅拌桨设计时参数难以确定、剪切力及搅拌功率缺少参考依据的问题。基于正交法及CFD对200 L生物反应器搅拌桨进行优化,由极差分析得到三斜叶桨不同搅拌桨直径、桨叶宽度、搅拌桨中心离底距离和转速对桨叶剪切速率和搅拌功率的影响规律,并结合流场分析选择有利于细胞培养的设计方案。根据正交优化方案确定多目标优化变量区间,以剪切力和搅拌功率为优化目标,基于Kriging模型和多目标遗传算法提出了有利于细胞培养的三斜叶桨设计变量区间,并优化得到桨叶平均剪切力为0.789 Pa、搅拌功率为0.395 W的搅拌桨最优参数组合,为生物反应器不同实际需求下的设计、优化提供了方法及数据参考。
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    16. 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
    摘要156)   HTML1065)    PDF (3837KB)(115)    收藏
    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。
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    17. 耦合传质的CO 2气泡上升过程数值研究
    裴东号 曾乐翔 高梦蝶 阮锦程 曹军
    过程工程学报    2023, 23 (9): 1244-1255.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222385
    摘要144)   HTML5)    PDF (15818KB)(115)    收藏
    利用Volume of Fluid (VOF)法对静止水中CO2气泡的上升过程进行数值模拟,采用自定义程序考虑传质过程,研究了不同初始直径的气泡上升过程中瞬时速度、传质系数、CO2溶解量以及气泡传质尾迹的变化。结果表明,气泡上升过程中横向速度周期性变化并且随着气泡初始直径增大,振荡幅度减小,而纵向速度随气泡初始直径增大而增大。在初始直径3.5~6 mm的范围内,随着气泡初始直径增大CO2溶解量增大,其尾流表现为对称态、过渡态及周期性脱落三种状态。初始直径3.5~6 mm的气泡尾流发生转变的临界Re随着气泡初始直径增大而增大,其尾流周期性脱落的频率为17~22 Hz,且脱离频率随气泡初始直径增大而减小。气泡尾流与传质尾迹保持一致,随着气泡初始直径增大,气泡传质尾迹影响的范围也增大。
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    18. 铁矿粉烧结被覆型准颗粒燃烧特性及动力学分析
    韩涛 胡长庆 卢超群
    过程工程学报    2023, 23 (4): 544-553.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222135
    摘要124)   HTML6)    PDF (2449KB)(114)    收藏
    为研究铁矿粉烧结过程黏附粉成分对焦炭颗粒燃烧的影响规律,以粒径2~3 mm的焦粉颗粒为核颗粒,采用Al2O3, SiO2, CaO, MgO, Fe2O3纯试剂以及人工合成CaO?Fe2O3 (CF)替代铁矿粉作为黏附粉,分别制备成不同成分黏附层的被覆型准颗粒(S型),采用热重分析法开展非等温燃烧实验和燃烧特性分析,利用Coats-Redfern法求解燃烧反应最概然机理函数,建立动力学物理模型进行动力学解析。结果表明,黏附层成分显著影响准颗粒的燃烧特性,CaO, CF, Fe2O3具有较强的催化燃烧作用,可显著降低焦炭颗粒的着火点,降低燃烧温度,提高燃烧效率和转化速率,而MgO的催化能力较弱,催化能力由高到低依次为CaO>CF>Fe2O3>MgO。S型准颗粒在快速燃烧阶段的最概然机理函数为R3,建立并解析了准颗粒燃烧的球对称未反应收缩核物理模型,在快速燃烧阶段碳-氧界面反应向核心推进,界面反应速率小于内扩散速率,是影响准颗粒燃烧速率的控制性环节。
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    19. 高炉煤气脱硫技术研究进展
    王新东 朱廷钰 李玉然
    过程工程学报    2023, 23 (7): 1003-1012.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222334
    摘要152)   HTML6)    PDF (1011KB)(106)    收藏
    实施高炉煤气脱硫进行源头减排对推进钢铁行业全流程超低排放改造具有重要意义。高炉煤气含硫组分以有机硫为主,具有复杂组分共存的排放特征,本工作论述了含硫组分在不同赋存形态(SO2, H2S和S)下的排放限值,通过硫平衡给出了排放限值间的转化关系。高炉煤气脱硫技术的瓶颈是有机硫(主要是羰基硫,COS)脱除,重点分析了用于COS水解的铝基催化剂和碳基催化剂,γ-Al2O3既是载体也是活性组分,而活性炭兼具催化剂和吸附剂功能;进一步阐述了煤气中复杂组分O2和Cl-等对水解催化剂失活的作用机制在于生成了沉积产物。针对COS水解形成的气态H2S脱除,详细对比了湿法脱除工艺中化学吸收法和催化氧化法在反应机理、脱硫剂、脱硫产物等方面的差异;在干法脱硫工艺中,对比了氧化锌、氧化铁和活性炭在反应机理、硫容、温度适应性等方面的区别。针对有机硫和无机硫的一体化吸附,简述了分子筛吸附剂的选择性吸附原理及其再生工艺。对目前已有探索应用的催化水解+湿法脱硫、催化水解+干法脱硫和一体化吸附工艺进行了初步的评价,提出了高炉煤气脱硫技术的研发重点在于如何提高水解催化剂的活性以及降低高炉煤气中复杂组分对催化剂活性的影响,提高技术的适用性。
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    20. CO 2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
    摘要123)   HTML0)    PDF (1824KB)(104)    收藏
    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。
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    21. 生物基材料核心单体分离纯化技术研究进展
    王坤 纪秀玲 蔺琨 黄玉红
    过程工程学报    2023, 23 (8): 1137-1149.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222314
    摘要168)   HTML7)    PDF (2738KB)(101)    收藏
    石化基材料生产消耗大量不可再生资源,并对环境造成一定程度污染。而利用可再生资源生产的生物基材料性能可以与石化基材料相媲美,符合绿色、低碳、环保的发展理念,为实现“碳达峰、碳中和”的目标提供强有力的技术支撑。近年来,随着国内外政策对生物基材料的支持,生物基材料已成为国内外争相发展的新材料,为生物基材料行业的发展提供了良好的契机。利用生物法生产的生物基材料核心单体具有生产条件温和、价格低廉、绿色环保等优点,但发酵液内成分复杂以及单体浓度偏低,导致分离难度增加,严重制约了生物基材料整个行业的发展。生物基材料生产要求单体纯度高,少量杂质会影响生物基材料的外观性能。现有的生物基材料核心单体的分离研究及应用中,充分发挥化工分离技术的优势,开发出了获得高纯度生物基材料核心单体的分离纯化工艺。本综述介绍了生物基材料的生产现状,综述了近年来几种应用广泛的生物基材料核心单体分离纯化技术的研究进展,分析了目前分离技术的优缺点,最后对生物基材料核心单体分离纯化技术的发展趋势进行了展望。
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    22. 膦基复合催化剂高效催化二氧化碳合成环状碳酸酯
    张贺明 孟婵 董丽 苏倩 成卫国
    过程工程学报    2023, 23 (7): 987-994.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223098
    摘要105)   HTML3)    PDF (5200KB)(100)    收藏
    二氧化碳(CO2)既是造成温室效应的主要气体,也是一种重要的C1资源,CO2资源化利用是全球战略目标和研究热点,以CO2与环氧化合物为原料合成环状碳酸酯是其高效高值化利用的主要途径。为解决以往催化剂体系存在的催化剂稳定性差、催化活性低、催化剂制备复杂等问题,本研究以高稳定性的氧膦化合物与过渡金属盐进行复配,通过调控过渡金属盐和氧膦化合物的比例,形成不同配比的二元复合催化体系,优选了最佳过渡金属盐和最佳比例(三丁基氧膦与溴化锌摩尔比为2:1,即[2Bu3PO-ZnBr2]),考察了催化剂用量、CO2压力、反应时间、反应温度的影响,在最佳反应条件下(130℃, 3 h, 3 MPa),环氧丙烷(PO)的转化率可达92%。通过相关表征揭示了膦基复合催化体系与反应物之间的相互作用,提出了可能的催化机理。[2Bu3PO-ZnBr2]催化体系在循环使用5次后,依然能够保持高催化活性。本研究提出的膦基二元复合催化体系可为催化剂设计和CO2利用提供思路。
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    23. 原料射流对提升管内压降特性的影响
    郑志航 马郡男 闫子涵 卢春喜
    过程工程学报    2023, 23 (4): 534-543.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222206
    摘要116)   HTML1)    PDF (1056KB)(99)    收藏
    通过大型冷模实验,采集了不同原料射流形式的提升管内总压降及预提升段、进料混合及充分发展段压降的动态数据,对比了斜向上射流和斜向下射流存在时提升管内各区域的压降特征,分析了不同操作条件的影响。结果表明,相同操作条件下,射流与多相流逆流接触提升管总压降及各部分压降大于射流与多相流并流接触提升管总压降及各部分压降。其他操作条件一定时,不同射流与多相流接触方式提升管总压降及各部分压降均随预提升气速增大而减小,随颗粒循环强度增加而增大。当射流速度增大时,射流与多相流并流接触提升管内总压降及各部分压降变化不明显;射流与多相流逆流接触提升管内预提升段压降有所增大,进料混合及充分发展段压降、提升管总压降显著增加。结合传统提升管压降模型及因次分析,建立了射流与多相流并流和射流与多相流逆流接触两种形式提升管内的进料混合及充分发展区压降模型,可供工程设计参考。
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    24. 复杂氧化铜矿浮选活化剂研究进展
    汪浩翔 申培伦 蔡锦鹏 贾晓东 彭蓉 刘殿文
    过程工程学报    2023, 23 (10): 1381-1389.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222336
    摘要118)   HTML10)    PDF (5380KB)(99)    收藏
    铜因其优异的物理化学性能而在工业中得到广泛应用。目前,随着硫化铜资源的枯竭,氧化铜资源的开发利用逐渐成为研究的重点。氧化铜矿作为铜金属的最主要来源之一,其有效回收的关键是活化过程。然而由于易选铜矿物的逐渐减少,且现存氧化铜矿资源呈现出氧化率高、矿物组成复杂、易泥化等特点,致使选别过程较为困难。经典的硫化-黄药浮选法无法满足目前复杂氧化铜矿资源的选别要求。此外,活化剂作用于矿物表面的机理以及对活化产物晶体结构的解释不明确,在一定程度上制约了氧化铜矿分离理论和方法的发展。近年来,针对复杂难选的氧化铜资源,多种新型活化剂或者组合活化剂已见诸报端,在一定程度上解决了复杂氧化铜矿难选的问题。本工作通过梳理近年来氧化铜矿活化剂发展脉络,重点综述了新型活化剂以及新型活化方法的应用及活化机理,旨在丰富氧化铜矿高效浮选理论体系,为生产实践提供参考。
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    25. 狭缝孔锥形分布板对流态化反应器内部流动特性的影响
    王天成 陈功 王德喜 邵立新
    过程工程学报    2023, 23 (10): 1390-1400.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222472
    摘要128)   HTML5)    PDF (1471KB)(99)    收藏
    针对目前污水处理流态化反应器存在液相返混、液固混合不均的问题,设计了一种开有狭缝孔的锥形分布板,该分布板上单孔的开孔面积由反应器中心向反应器外侧逐渐增加,并采用欧拉-欧拉多相流模型、RNG k-ε湍流模型对狭缝孔锥形分布板进行数值仿真计算。结果表明,狭缝孔锥形分布板能够使反应器内部形成多个环核流流动,强化液固两相之间的混合。此外,狭缝孔锥形分布板能够使反应器内部的颗粒均布,避免颗粒在反应器壁面附近聚集,且颗粒能够获得较高的循环速度。综合评估颗粒体积分数、流速和床层密度标准差等参数,狭缝孔锥形分布板的狭缝孔的最佳开孔方式为垂直于中心轴线方向,最佳锥角为120°。
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    26. 障碍微通道内气液两相流运动特性
    霍元浩 杨刚 张会臣
    过程工程学报    2023, 23 (12): 1617-1626.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222454
    摘要107)   HTML8)    PDF (5399KB)(99)    收藏
    微通道内障碍对气液两相流压力降和气泡形状具有显著影响。采用实验和数值模拟的方法探究了微通道内障碍位置对氮气/水气液两相流运动特性的影响,分析了不同气液流量条件下障碍微通道内压力降和气泡长度的变化规律。结果表明,障碍微通道内压降高于无障碍微通道,当障碍位于中心位置时,压降最大,这是由于障碍后产生涡流所致,且压降与涡流长度正相关;障碍微通道气泡长度相对于无障碍通道变化均在25%以内,且随着障碍趋近于中心位置,气泡长度变短;不同工况条件下气泡通过障碍时的形状变化呈现三种现象:回缩不发生破裂、回缩发生破裂和不回缩直接破裂。回缩不发生破裂时,回缩长度随毛细数增大而增大;回缩发生破裂时,回缩长度随毛细数增大而减小;回缩长度减小到0时,变为不回缩直接破裂。回缩长度的变化范围随着障碍趋近于中心位置逐渐变大。通过所有障碍过程中,不同工况条件下展现出不同的破裂与合并规律。数值模拟揭示了障碍后产生旋涡长度不同导致压降不同,在气泡破裂瞬间压力存在剧烈变化。通过障碍时,气泡形状的变化源于其周围液相流速的变化,障碍两侧子通道内的速度不同决定两子气泡经过障碍后的不同规律。
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    27. 封面和目录
    过程工程学报    2023, 23 (8): 0-.  
    摘要84)      PDF (5090KB)(98)    收藏
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    28. 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
    摘要88)   HTML4)    PDF (36544KB)(97)    收藏
    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%。
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    29. 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
    摘要99)   HTML2)    PDF (2454KB)(94)    收藏
    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。
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    30. 封面和目录
    过程工程学报    2023, 23 (4): 0-.  
    摘要74)      PDF (4976KB)(92)    收藏
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