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2020年 第20卷 第6期 刊出日期:2020-06-22
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过程工程学报. 2020, 20(6): 0.
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计量指标
综述
无机水合盐相变材料过冷度抑制方法的研究进展
陶文 张 毅 孔祥法 张晚春 樊传刚
过程工程学报. 2020, 20(6): 619-627. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219273
摘要
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计量指标
无机水合盐相变材料具有较高的相变潜热、原料易得、安全性高等优点,在未来中低温储能领域有巨大的应用潜力,但其在相变过程中易出现“过冷”与“相分离”等现象,严重影响了其热稳定性能,相关问题可通过添加成核剂、增稠剂进行解决。但无机水合盐在液态下会发生泄漏,需要将其限制在一定区域内。通过多孔材料吸附、微胶囊化等方法可以对无机水合盐相变材料进行封装,多孔材料如膨胀石墨、膨润土、泡沫金属等可以吸附无机水合盐,防止其相变过程发生泄漏。微胶囊包覆则是通过将相变材料微胶囊化封装在壳材内,常用壳材包括聚甲基丙烯酸甲酯、三聚氰胺?甲醛树脂或聚脲树脂等,此外,无机SiO2壁材也是常用的材料。通过吸附封装或者微胶囊化,可以将无机水合盐相变材料限制在一定区域内,提高无机水合盐相变材料的分散性能,降低其过冷度、改善相分离现象,进一步提高无机水合盐相变循环的热稳定性,是解决无机水合盐相变材料在相变过程中渗漏问题的有效方法。本工作综述了无机水合盐相变材料过冷、相分离问题的研究现状,总结了采用多孔材料吸附和微胶囊化抑制或解决无机水合盐过冷度的研究进展,并对今后无机水合盐储能应用研究提出了建议与展望。
熔融结晶在重芳烃分离中的应用
李婷 侯经纬 李潇 马树刚 王豪 陈静 王苑 周媛 万子岸
过程工程学报. 2020, 20(6): 628-637. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219286
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计量指标
熔融结晶可应用于同系物、共沸物、热敏性物质等特殊物系的分离,因其分离纯度高、能耗低、工业放大操作方便等优点获得广泛认可。乙烯焦油、重整芳烃、煤焦油等劣质重芳烃中含丰富的萘、对二甲苯、均四甲苯、蒽、菲、咔唑、苊等一系列高附加值化学品,熔融结晶在上述高附加值化学品的分离提纯中有重要作用,其中多数为间歇操作。目前,对于连续大规模工业化生产已取得阶段性进展,但堵塞和结垢仍是制约其发展的关键问题。结晶过程中传质传热的理论研究对于指导未来新型结晶器和模型的开发具有重要意义。
流动与传递
表面活性剂虫状胶束流体中颗粒沉降负尾迹模拟
王治国 张恒 蔺靖杰 苏晓辉 窦益华
过程工程学报. 2020, 20(6): 638-645. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219283
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计量指标
颗粒在剪切稀释黏弹性表面活性剂形成的蠕虫状胶束流体中沉降时会产生负尾迹,负尾迹的形成对该种复杂流体与固体颗粒之间的相互作用具有重要影响。基于Giesekus本构方程,采用POLYFLOW软件模拟了黏弹性表面活性剂(Viscoelastic Surfactant, VES)蠕虫状胶束流体中单颗粒的沉降过程,分析了流体松弛时间和迁移因子对颗粒周围速度场及应力场的影响,重点研究了颗粒尾部速度负尾迹的产生原因及其对颗粒曳力的影响。结果表明,Giesekus本构方程能够描述VES流体的非线性剪切变稀行为和弹性导致的拉伸变形。流体弹性导致颗粒尾部产生较大的拉伸变形,剪切稀化和流体弹性的共同作用使颗粒尾部产生拉伸变形,导致负尾迹出现。表征流体弹性的De(黛博拉数)越大,流体拉伸黏度的Tr(特劳顿数)越小,负尾迹越长。负尾迹的出现使VES流体中颗粒所受曳力减小,沉降速度开始增加。模拟结果为此种流体的进一步应用提供了一定的研究基础。
反应与分离
pH对壳聚糖螯合铜(II)的螯合机理及稳定常数的影响
冯颖 张庆瑾 王珏程 张建伟
过程工程学报. 2020, 20(6): 646-654. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219299
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计量指标
用紫外分光光度法研究了pH值对壳聚糖螯合Cu(II)的影响。通过显微图像、X衍射图谱及红外光谱对沉淀物进行分析。结果表明,随体系pH值增加,壳聚糖碳链上的活性基团与铜离子的螯合能力增强。溶液体系pH=5~6时,螯合物的稳定常数最大值为1.1×108;当pH接近7时,部分螯合产物析出导致稳定常数降低。酸性条件下pH值的变化对螯合物的配位比(n)无明显影响,壳聚糖–铜螯合物的配位比n=2。通过调节pH值可使溶液中壳聚糖铜螯合物析出,随pH增加,Cu2+浓度降低,当pH约为9时,Cu2+浓度达最小值1.5 mg/L。壳聚糖的主要活性基团–NH2与铜离子发生螯合,反应生成壳聚糖-铜。
D301树脂动态吸附溴离子过程探究及模型拟合
袁纯怡 孙玉柱 杨颖 宋兴福 于建国
过程工程学报. 2020, 20(6): 655-666. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219342
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计量指标
研究了用D301树脂吸附岩盐矿提钾母液中溴离子的可能性,考察了吸附柱动态吸附过程中原料液溴离子初始浓度、床层高度及进料流速等因素的影响。结果表明,增加原料液溴离子初始浓度或降低进料流速能提高树脂单位饱和吸附量。当原料液溴离子初始浓度从1000 mg/L升至4000 mg/L时,树脂单位饱和吸附量从1.8 mg/L增至6.4 mg/mL。增加床层高度或降低进料流速会延长动态吸附突破时间及饱和时间,而原料液溴离子初始浓度对其没有影响。应用了Bed Depth Service Time(BDST), Thomas, Yoon-Nelson, Wolborska及Modified dose response(MDR)等五种吸附模型对动态吸附过程进行拟合,其中MDR模型的拟合效果最佳。D301树脂可用于从含有高浓度氯离子的提钾母液中提取溴离子。
过程与工艺
亚熔盐高效提钒铬清洁生产技术产业化应用
王新东 李兰杰 杜浩 赵备备
过程工程学报. 2020, 20(6): 667-677. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219274
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计量指标
在亚熔盐生产线达产达效期间,对钒渣液相氧化、液固分离、钒酸钠结晶、三效蒸发等工序进行了研究。结果表明,在纳微曝气氧化及规模放大效应共同作用下,亚熔盐示范工程可实现较低温度(140~180℃)和较低压力(0.6~1.0 MPa)下钒和铬的高效同步提取,钒和铬的转化率分别为93%和85%;对不同原料来源的钒渣,纳微曝气亚熔盐技术均体现出优异的浸出性能;全自动立式压滤机采用三级逆流洗涤方式,保证了尾渣含水率低于30wt%,钒含量低于0.15wt%,铬含量低于0.05wt%;选用OSLO冷却结晶器进行钒酸钠结晶,钒酸钠结晶率达到61.5%;通过在三效系统蒸汽接口处增设减温减压器,实现循环碱液浓度由试生产初期的45wt%提高至50wt%。利用亚熔盐产线对传统钠化焙烧工艺废水处理过程中产生的钒铬泥进行钒铬浸出,在反应温度175℃、反应压力0.65 MPa、进出料速度0.25 t/h的工作条件下实现了钒铬泥中钒和铬的高效浸出,钒和铬的浸出率分别为93.68%和96.76%。当溶液中铬浓度达到25~30 g/L后,铬酸钠结晶工序可保证将每次液相氧化反应溶出的铬全部结晶析出,铬酸钠的结晶率为17.65%。
250吨转炉底吹对熔池搅拌的影响研究
王多刚 程乃良 周小宾
过程工程学报. 2020, 20(6): 678-686. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219281
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计量指标
采用物理模拟和数值模拟,研究了某钢厂250 t转炉底吹对熔池混匀时间、气液两相区速度、熔池低速区体积、炉底剪切力和气体能量利用率的影响。结果表明,熔池混匀时间随底吹气量增大而减少,随底吹孔数增加而减少。底吹孔数为12个时,底吹气量由15 L/min增至50 L/min,熔池混匀时间降低54.8%。底吹气量不变(50 L/min),底吹孔数由12个减至3个时,混匀时间增加52.9%。底吹枪数量减少,搅拌区域减小,熔池中“死区”和“低速区”体积比分别增加4.89%和28.9%。底吹枪减至3个时,单个底枪气量增大,气液两相区最大速度由0.34 m/s增至0.64 m/s,底吹孔处炉底所受剪切力增大52%,对炉底耐材寿命不利。从数值模拟结果也可发现,底吹工况的变化影响气体在熔池中的利用效率。底吹总气量增大时,熔池动能增加,但气体能量利用率降低。底吹气量较小时,底吹孔数的变化对气体能量利用率影响较小。底吹气量较大(50 L/min)时,相比于12个底吹孔,6个和3个底吹孔的气体能量利用率分别下降18.4%和23.3%。
一种新型3D打印成型-脱脂-烧结工艺
程耀华 边慧光 汪传生 蔡宁
过程工程学报. 2020, 20(6): 687-694. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219304
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计量指标
基于316L不锈钢粉末与高分子材料配方,首先利用开炼机对配方材料进行充分混炼,粉碎、干燥后,制备出大小相对均匀的物料混合物颗粒。然后利用自主研制的粉体喂料3D打印机,对金属坯体进行3D打印,随后采用溶剂脱脂法对金属胚体进行脱脂,最后对其进行烧结实验,研究在不同烧结工艺条件下所得试样的物理机械性能,由此分析确定最佳的烧结工艺。结果表明,随烧结温度升高,烧结制品的致密化程度逐步增加,各项物理机械性能也逐步提高,在1370℃烧结工艺条件下,所得金属制品各项物理机械性能最佳,且和传统粉末冶金制品相接近,其烧结密度达7.43 g/cm3,抗拉强度达501.2 MPa,冲击位移达4.54 mm,延伸率达27.1%,抗弯曲力达16.54 KN ,硬度达80.74 HRB。同时,通过微观对比、机理分析及实验验证,印证了1370℃为最佳的烧结工艺,烧结制品具有成分均匀、组织细小和性能稳定等优点。
移动床活性焦烟气净化工艺中废活性焦的形成与特征分析
于凤芹 李运甲 刘周恩 李文松 张卫东 高士秋 许光文 余剑
过程工程学报. 2020, 20(6): 695-702. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219268
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计量指标
移动床活性焦低温干法烟气多污染物脱除技术在钢铁烧结烟气脱硫脱硝工艺中具有良好的适用性,但烟气净化过程中活性焦的损耗成为制约该技术推广应用的关键因素之一。以宝钢烧结烟气脱硫脱硝工艺中所产生的废活性焦为研究对象,通过考察其比表面积、孔容结构、灰分中重金属及碱金属含量、表面官能团特征及脱硫脱硝性能,探究烟气净化过程中活性焦组成、结构及表面性质的变化。结果表明,与新鲜活性焦相比,废活性焦粒度集中分布在0.2?5 mm,其表面的氮、氧、硫元素及过渡金属氧化物含量显著增加,比表面积由191.0 m2/g增加至499.0 m2/g,使废活性焦颗粒在150℃下脱硝率由20%提升到70%,120℃下穿透硫容由0.27 mg SO2/g提升至11.08 mg SO2/g,显示了良好的再利用潜力。
循环热风低温干燥系统湿空气冷凝特性分析
窦锦爱 张世中 岳晨
过程工程学报. 2020, 20(6): 703-710. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219279
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计量指标
基于能量梯级利用热力系统耦合理论,集成了一种适合热敏性农副产品烘干的新型空气干燥循环系统,系统可得到热敏性干燥产品,同时回收湿空气冷凝废热用于有机朗肯循环(ORC)系统对外做功。对关键部件湿空气冷凝器建立传热传质数学模型并经实验验证,考察了关键操作参数对系统脱水速率及节能效果的影响。结果表明,湿空气湿度是影响该系统凝水和节能的最关键参数,该系统凝水及节能特性均随湿空气湿度提高而改善;当干燥箱出口湿空气含湿量温度一定时,新型空气干燥循环凝水量主要受到干燥箱出口空气流量的影响,系统的凝水量和换热量均随湿空气质量流量增加先增加后降低,在0.10~0.15 kg/s出现极大值;系统净输出功随ORC底循环蒸发温度提高显著增加。本系统下的热敏性农副产品烘干建议选择低空气流速、低烘干温度,推荐的ORC底循环蒸发温度为313~323 K。
生化工程
青霉素发酵液直接氧化制备青霉素G亚砜反应条件优化
闫峰 张为革
过程工程学报. 2020, 20(6): 711-717. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219233
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计量指标
以过氧乙酸为氧化剂,研究了青霉素发酵液直接氧化制备青霉素G亚砜的过程,考察了不同影响因素对青霉素G亚砜转化率的影响,分析了氧化后菌丝中青霉素残留,建立并优化了青霉素发酵液直接氧化工艺。结果表明,搅拌转速、反应温度、过氧乙酸投料量、过氧乙酸浓度等因素是青霉素G亚砜转化率的关键影响因素,其他因素对青霉素发酵液直接氧化过程影响较小。过氧乙酸直接氧化青霉素发酵液可释放出残留在菌丝体内的青霉素,相比氧化青霉素G钾盐的转化率更高。最佳氧化工艺条件为反应温度5~10℃,搅拌转速100 r/min,30 min匀速加入青霉素摩尔量1.3倍的高浓度过氧乙酸,继续搅拌反应10 min。青霉素G亚砜的转化率可达98.6%,比青霉素G钾盐为原料的转化率提高1.2%。
环境与能源
Ce-Fe/ZSM-5催化剂用于燃机烟气SCR脱硝的性能
王殿二 王玲 高国龙 徐新 吴鹏 张亚平
过程工程学报. 2020, 20(6): 718-727. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219285
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计量指标
采用浸渍法制备了一系列Ce?Fe/ZSM-5催化剂,基于燃机烟气工况研究了Fe含量及Ce掺杂量对Fe/ZSM-5催化剂的中高温脱硝性能的影响,并结合一系列表征技术对其物化性能进行研究。结果表明,Fe含量为4wt%时,Fe/ZSM-5催化剂在550℃下NOx转化率为77.11%。掺杂Ce后Ce?Fe/ZSM-5催化剂的高温脱硝效果明显提升,Ce负载量为1wt%时,550℃时NOx转化率仍保持95.92%,催化剂有优异的中高温催化活性,比Fe4/ZSM-5提高了18.81%。同时改变烟气中的NO2和O2含量,发现NO2和O2浓度增加均可提高催化剂的脱硝性能,水热老化测试表明Ce1?Fe4/ZSM-5催化剂具有优异的水热稳定性,分别在10vol% H2O, 600℃和10vol% H2O, 800℃条件下老化后,在450?550℃内NOx转化率保持约90%。适量掺杂Ce后催化剂表面Lewis酸含量及强度增强,表面吸附氧比例增大,Ce与Fe元素间的协同作用提高了催化剂的高温氧化还原能力,提升了高温活性,因此促进了中高温条件下SCR反应的进行。
典型煤炭燃料在民用解耦炉中的燃烧实验研究
韩健 刘新华 何京东
过程工程学报. 2020, 20(6): 728-736. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219258
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计量指标
实验对比研究了烟煤块状半焦及烟煤型煤等煤炭燃料在民用解耦炉中燃烧时的污染物排放特性和炊事能力,并基于解耦测试炉对烟煤型煤的特征尺寸进行优化,验证了解耦炉具对不同种类民用煤炭燃料的适应性。结果表明,民用解耦燃煤炉具特有的结构特征和通风方式有利于NOx和CO的同时减排。若在解耦炉中燃烧烟煤洁净型煤,可进一步实现对SO2和颗粒物(PM)的有效控制。型煤尺寸对炉具污染物排放影响显著,尺寸优化后的烟煤洁净型煤在解耦炉中稳定燃烧时NO, SO2, CO和PM的平均排放浓度按基准氧含量9vol%折算后,分别低于190, 300, 380和30 mg/m3,炊事功率可达1.65 kW。
浮法玻璃熔窑火焰空间石油焦部分替代重油燃烧的数值模拟
王志敏 谢峻林 梅书霞 何峰 金明芳
过程工程学报. 2020, 20(6): 737-744. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.219278
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计量指标
针对浮法玻璃熔窑火焰空间建立模型并进行了数值模拟,在保证热值相同的前提下,对比研究了重油燃烧及将石油焦部分替代重油燃烧时的流场分布特征。结果表明,石油焦部分代替重油燃烧后,两种燃料可很好地混合燃烧,窑炉内温度制度基本不受影响;石油焦着火时间比重油长,两种燃料混合燃烧时平均着火点滞后于仅使用重油时,且燃烧路径更长,燃烧时产生了大量CO,整个火焰空间及烟气出口处NOx的平均排放量与仅使用重油相比降低了30.02%,NOx减排效果明显。