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2020年 第20卷 第2期 刊出日期:2020-02-22
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过程工程学报. 2020, 20(2): 0.
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计量指标
流动与传递
多孔介质方腔内置芯片热流耦合的LBM数值模拟
陈岳 马明 张莹 过海龙 万启坤
过程工程学报. 2020, 20(2): 123-132. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219169
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计量指标
基于格子Boltzmann方法的渗流多孔介质耦合双分布模型,对表征体元(REV)尺度下含电子芯片的多孔介质自然对流进行数值模拟研究,主要研究不同物性参数对多孔介质自然对流的影响以及单电子芯片尺寸、多芯片布局等因素对电子芯片表面散热性能的影响。得出了如下研究结果:对于恒温单芯片的多孔介质自然对流,在达西数Da=10-2时存在临界芯片尺寸。在临界芯片尺寸条件下,流场扰动较更小的芯片尺寸更强,传热性能却几乎不变。不同瑞利数Ra条件下临界芯片尺寸不同,Ra越大,临界芯片尺寸越大,在Ra=103时临界芯片尺寸为0.203125倍方腔边长,Ra=104时临界芯片尺寸为0.25倍方腔边长,Ra=105时临界芯片尺寸为0.390625倍方腔边长。当多孔介质渗透率降低时,即Da=10-4时,不存在临界芯片尺寸,且芯片表面和冷壁处的平均Nusselt数均随Ra的增大而增大。对于恒温多芯片的多孔介质自然对流,在多孔介质渗透率较大(Da=10-2)的情况下芯片横排布置可取得最佳换热效果,在渗透率较小(Da=10-4)时芯片布局宜采用对角分布。
选择性催化还原蜂窝状催化剂内流动特性的多尺度模拟
王来勇 钱付平 朱景晶 黄乃金 徐兵 吴昊
过程工程学报. 2020, 20(2): 133-140. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219172
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计量指标
为提高选择性催化还原(SCR)脱硝反应器内催化剂的脱硝效率和使用寿命,从细观和宏观两个角度对SCR脱硝反应器的流动特性多尺度数值进行研究。在细观层面研究了不同高度的催化剂层产生的阻力随进口速度的变化,并计算得到阻力关系式。宏观层面,基于阻力关系式,计算出催化剂宏观结构数值模拟所需的粘性阻力系数和惯性阻力系数,对反应器内的流动特性进行数值模拟,并将其结果与实验数据对比,最大误差为8.6%。将关系式应用于具有不同结构(蜂窝状和斜板状)催化剂的脱硝反应器中,计算结果与文献值趋势基本一致,最大误差为12.9%。
N,N'-二(2-羟丙基)哌嗪-硫酸钠-水三元体系相平衡测定与计算
刘雅婷 崔鹏 贾邵竣
过程工程学报. 2020, 20(2): 141-147. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219183
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计量指标
采用等温溶解平衡法测定N,N′-二(2-羟丙基)哌嗪(HPP)?Na2SO4?H2O三元体系在273.15和298.15 K下的相平衡数据,采用湿渣法测定其平衡固相数据,绘制等温相图。用改进的单组分电解质Pitzer方程计算该体系中Na2SO4和Na2SO4?10H2O的溶解平衡常数,并对相平衡数据进行理论计算。结果表明,273.15 K时存在3个结晶区,298.15 K时存在4个结晶区。HPP的存在降低了Na2SO4和Na2SO4?10H2O的相转变温度,使298.15 K下的相图中存在Na2SO4的结晶区域,且273.15和298.15 K的相图中不存在纯HPP的结晶区域。理论计算与实验数据的均方根偏差不高于0.0290,表明相平衡数据计算值与实验值较吻合,证实了改进的单组分电解质Pitzer方程适用于该体系计算。
热风混合器内部流场的数值模拟与结构改进
王娟 李军 高助威 何星晨 邹槊 万加亿
过程工程学报. 2020, 20(2): 148-157. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219191
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计量指标
对热风混合器进行了结构改进,采用标准k??模型对改进前后热风混合器内部的流场和温度场分布进行了数值模拟。结果表明,相比于传统结构,对称T型双热风入口结构的混合器内部流场分布对称性较好,气流均匀性提高,渐缩型出口设计改善了回流问题,加设分散挡板增强了换热效果。三方面的结构改进使混合器出口气流的温度均匀性有效改善,减小了能量消耗,提高了热混合效率。
竖冷设备结构的离散元法模拟优化
张雪宽 徐骥 孙俊杰 张永杰 张正好
过程工程学报. 2020, 20(2): 158-166. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219203
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计量指标
针对国内某钢厂竖冷设备,建立了基于离散元方法的模型,研究了竖冷设备中烧结矿石的装料过程。结果表明,由于原装料结构烧结矿石下落高度大,不同粒径烧结矿石下落速度相差明显,因此,在载料车倾料过程中出现小颗粒在下、大颗粒在上的偏析形态,同时缓冲仓内缺少限制颗粒运动的结构,导致排料过程中烧结矿石的偏析不断加剧。针对原设备的问题,首先将单一缓冲仓改为上下两层缓冲仓,上层缓冲仓用于降低颗粒下落高度,减小不同粒径颗粒的速度差;其次在缓冲仓底部引入斜栅栏结构,从而阻碍大颗粒运动,减小其运动距离,且限制了角落处的大颗粒再次进入缓冲仓出料口,避免加剧缓冲仓内的颗粒偏析。模拟结果表明新结构能有效改善竖冷设备内颗粒偏析。
褶型纤维过滤介质压力损失的多尺寸模拟
朱景晶 钱付平 魏民 韩云龙 鲁进利
过程工程学报. 2020, 20(2): 167-173. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219207
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计量指标
统筹考虑纤维结构特性、纤维排布及纤维层数等因素,基于MATLAB编写控制程序,建立褶型纤维过滤介质微观尺寸模型,并计算过滤介质固体体积分数?,采用数值模拟方法获取微观尺寸下过滤风速v与压力损失Δp之间的数学关联式,进而获取介质的粘性阻力系数C1。在此基础上,建立褶型纤维过滤介质宏观尺寸模型,基于微观尺寸模拟得到的?及C1,采用数值模拟的方法得到宏观尺寸下迎面风速u与Δp之间的数学关联式,并将数学关联式与多个经验公式进行对比。结果表明,褶型纤维过滤介质内纤维排列方式及介质厚度对Δp有影响,但对C1等性质参数影响不大;微观尺寸研究得到的参数可以为宏观尺寸研究提供指导,微观结构与宏观结构性质参数可以沿用。本研究结果对拓展纤维过滤介质的研究方法及优化其结构具有重要理论及实际意义。
反应与分离
煤矸石中和渣酸浸物的溶出
郑光亚 陈正杰 夏举佩 王伟杰 辜芳 师一博 李浩林 李宛霖 刘成龙
过程工程学报. 2020, 20(2): 174-181. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219178
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计量指标
采用浸提法提取煤矸石中和渣酸浸物中的有价元素,考察了溶出温度、溶出时间和溶出液固质量比对酸浸物溶出过程的影响;以单因素实验为基础,进行正交实验,优化溶出工艺条件,用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征煤矸石中和渣酸浸物、酸化产物及滤渣的物相和微观形貌。结果表明,酸浸物溶出最优工艺条件为液固质量比3:1、溶出时间40 min、溶出温度80℃,此时有价元素氧化物的溶出率分别为TiO2 82.63%, Fe2O3 96.48%, Al2O3 98.33%, CaO 87.72%, MgO 95.31%。提取后滤渣中只有SiO2和少量TiO2及CaSO4存在,表明煤矸石中和渣酸浸物中的有价元素通过该溶出工艺可充分溶出。
碳酸钠对镍渣碳热还原的催化作用
李小明 闻震宇 李怡 王伟安 邢相栋
过程工程学报. 2020, 20(2): 182-188. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219187
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计量指标
以全铁含量39.40wt%和SiO2含量32.50wt%的镍渣为原料,针对其中的铁以铁橄榄石形式存在难以直接还原磁选提铁的问题,在镍渣中添加不同质量比的碳酸钠促进镍渣碳热还原,进行了热力学计算和实验验证。结果表明,碳酸钠添加量由0增加至6wt%时,还原产物中铁的金属化率和回收率不断增大,继续增大碳酸钠添加量至8wt%时,铁的金属化率和回收率略有减小。不添加碳酸钠的还原产物中铁粒径很小,平均粒径为6 ?m,难还原的铁橄榄石大量存在,而加入6wt%碳酸钠的还原产物中铁粒径粗大,平均粒径增大至17 ?m,铁橄榄石含量明显降低,金属铁的XRD衍射峰强度明显增加。
过程与工艺
机加工孔套管抗挤压强度有限元分析
黎伟 陈曦 夏杨 李玉民 张建 肖勇
过程工程学报. 2020, 20(2): 189-196. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219186
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计量指标
套管屈服强度直接影响套管抗挤压性能,套管在加工孔过程中可能诱发孔眼附近材料发生金属相变,导致套管屈服强度不再均匀分布,进而影响套管抗挤压强度。在相同工况下,对比了P110完整套管和机加工孔套管的抗挤压强度,以此为参照组分析了相变区域面积和相变区域屈服强度对机加工孔套管抗挤压强度的影响。结果表明,机加工孔会改变材料屈服强度,进而影响套管抗挤压性能。随金属相变区域屈服强度减小,机加工孔套管抗挤压强度减弱;当金属相变区域屈服强度增大时,机加工孔套管抗挤压强度增强。且机加工孔套管相变区域面积对机加工孔套管抗挤压强度的影响随相变区域屈服强度增加而逐渐削弱。
高氯酸铵含量对高铝富燃料推进剂中重要组分高氯酸铵/铝 一次燃烧性能和铝粉团聚的影响
陈颖 孙运兰 朱宝忠 石伟 徐俊超
过程工程学报. 2020, 20(2): 197-204. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219193
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计量指标
采用CO2激光点火装置联合高速摄影系统及扫描电子显微镜等凝聚相燃烧产物分析技术,研究了高氯酸铵(AP)含量对高Al富燃料推进剂中重要组分AP/Al一次燃烧过程中燃烧现象、引燃时间、燃烧扩散时间、燃尽时间、燃烧效率、颗粒团聚及凝聚相燃烧产物的表面形貌、粒径及其分布的影响。结果表明,各AP/Al混合粉体的燃烧过程均可分为表面引燃、燃烧扩散和火焰熄灭3个阶段,但各样品在不同燃烧阶段的燃烧现象存在明显差异。AP含量由10wt%增至30wt%,样品燃烧剧烈程度增强,燃烧过程中固相颗粒的溅射现象越加明显;在火焰熄灭阶段,各样品燃烧由以停留在样品燃面处的燃烧为主逐渐变为以溅射颗粒的燃烧为主,且随反应进行,燃面已燃固相颗粒最先熄灭,各样品表面引燃时间、燃烧扩散时间、燃烧持续时间均缩短,即燃烧反应速率逐渐加快。在AP/Al混合物中,铝粉的燃烧效率、凝聚相燃烧产物粒度及其团聚程度随AP含量增加而增加。
醋酸可的松合成中碘化反应工艺优化
刘欢 马政生 刘庆芬
过程工程学报. 2020, 20(2): 205-212. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219204
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计量指标
以21-脱氧可的松(SSC)为原料、溴碘液为碘化剂,研究了SSC转化为一碘化物及一碘化物与二碘化物相互转化的反应过程,考察了摩尔比SSC/I2 (溴碘液)、溴碘液滴加速度、反应时间、反应温度等因素对C-21位碘化反应的影响,以获得一碘化物为目标优化了反应工艺,采用高效液相色谱检测反应体系中一碘化物、二碘化物及SCC的浓度变化。结果表明,SSC转化为一碘化物与一碘化物转化成二碘化物为竞争反应,在溴碘液滴加结束的后续反应过程中二碘化物可以转化为一碘化物。生成一碘化物最多的最佳工艺条件为SSC/I2 (溴碘液)摩尔比1:0.62、溴碘液滴加速度0.33 mL/min (SSC 20 g)、后续保温反应时间120 min、反应温度?3℃。该条件下醋酸可的松的平均摩尔收率为87.67%,比文献提高了14.93%。
二丁酰环磷腺苷钠在水-丙酮混合溶剂中溶解度的测定与关联
魏兵惠 王九成 高峰
过程工程学报. 2020, 20(2): 213-221. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219206
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计量指标
通过高效液相色谱法(HPLC)测定了二丁酰环磷腺苷钠在水?丙酮混合溶剂中的溶解度,利用修正的Apelblat模型、λh模型和C/R?K模型关联溶解度数据并计算模型参数,计算了二丁酰环磷腺苷钠在水?丙酮混合溶剂中溶解过程的热力学参数,测定了二丁酰环磷腺苷钠与2种相关杂质的溶解度。结果表明,在278.15?298.15 K温度范围内,二丁酰环磷腺苷钠的溶解度随温度升高而增大,随丙酮摩尔分数增加先增大后减小,可能是共溶剂现象所致。丙酮摩尔分数为0.4220时,二丁酰环磷腺苷钠的溶解度最大。实验数据与模型拟合良好。标准溶解焓大于零、标准溶解吉布斯自由能小于零,表明该溶解过程为自发进行的吸热过程。丙酮摩尔分数为0.7110~0.8538时,二丁酰环磷腺苷钠、杂质N6-单丁酰基腺苷-3',5'-环磷酸酯钠和2?-O-单丁酰基腺苷-3',5'-环磷酸酯钠的溶解度有显著差异,为其结晶分离提供了理论依据。
硫酸溶液中方解石表面CO
2
气泡的生长过程
马麟 邓荣东 幸鼎权 陈泓希 范兴颖 黄汀怡
过程工程学报. 2020, 20(2): 222-229. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219305
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计量指标
用高速摄像仪对方解石与硫酸反应产生CO2气泡的过程进行了系统研究,分析了硫酸浓度和方解石颗粒尺寸对CO2气泡产生量、气泡生长速率、脱附直径、数量分布、方解石颗粒表观比重及方解石与硫酸反应后的表面形态等的影响。结果表明, CO2气泡在方解石表面的生长非常迅速,在反应时间一定时,CO2气泡产生量与硫酸浓度成反比,浓度越高产生的气泡越少,且随硫酸浓度增加,气泡生长速率越来越大,而脱离直径越来越小。绝大部分生成的CO2气泡会迅速脱离方解石表面。随着反应进行,硫酸浓度越高,相同时间内方解石表面可统计气泡数量越少,但在表面残留CO2气泡的直径越大。酸浓度过高不利于CO2气泡在方解石表面的吸附。方解石与硫酸反应后表面粗糙度增加,可增大表面对气泡的吸附作用。
环境与能源
臭氧氧化双酚A的性能及机理
陈娇玉 孟冠华 魏旺 刘宝河 丁素云 何佳睿
过程工程学报. 2020, 20(2): 230-236. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219165
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计量指标
采用臭氧氧化法在动态条件下降解双酚A,考察了臭氧浓度、水样进水流速、pH、双酚A初始浓度及温度对氧化降解双酚A效果的影响,探究了臭氧氧化双酚A的反应机理。结果表明,臭氧对溶于水中的双酚A具有良好的去除效果,在反应条件(臭氧浓度11.04 mg/L、水样进水流速2 mL/min、原水pH=6.83、双酚A初始浓度10 mg/L、温度40℃)下,去除率达86.12%。增加臭氧浓度或适当升高温度可增加臭氧氧化双酚A去除率。pH和进水流速的提高会降低双酚A去除率。偏酸性条件下,臭氧降解双酚A的效果更好。臭氧氧化双酚A反应活化能较低,属于快速反应。臭氧浓度不变,增加双酚A初始浓度会使其去除率减小。臭氧氧化双酚A以臭氧直接氧化为主,同时也存在羟基自由基间接氧化。
基于金属氢化物固态氢源的氢燃料电池动力系统特性的研究
闫红丽 陆佐伟 敬志良 吴震
过程工程学报. 2020, 20(2): 237-244. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219173
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计量指标
以基于金属氢化物的固态储氢技术,与质子交换膜燃料电池(PEMFC)耦合,搭建了基于金属氢化物固态氢源的氢燃料电池动力系统试验台,测试了吸氢压力、放氢温度、氢流量等关键操作参数对氢燃料电池动力系统性能的影响。结果表明,当吸氢压力大于等于0.60 MPa时,固态储氢反应器放氢流量稳定的时间最长可达4500 s以上。当放氢温度大于60℃时,储氢反应器能完全释放氢气,且放氢时间基本相同。放氢流量越小,氢燃料电池动力系统稳定工作的时间越长。