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    2020年 第20卷 第11期    刊出日期:2020-11-22
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    封面和目录
    过程工程学报. 2020, 20(11):  0. 
    摘要 ( )   PDF (870KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    综述
    超声强化在湿法浸出过程中的应用
    焉杰文 李彬 潘德安
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1241-1247.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219357
    摘要 ( )   PDF (1532KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    湿法浸出作为湿法冶金的重要过程,具有金属回收率高、操作难度低、能耗低等优点,但同时也存在对浸出液浓度要求高、反应时间长、反应速率慢等缺点。因此,通过多种辅助浸出技术强化现有湿法浸出过程是一种有效途径。其中,通过外场加入超声的方式,利用超声的空化作用强化浸出反应过程,可大幅提升浸出反应速率、缩短反应时间,超声强化已在湿法浸出过程中取得一定的研究成果和实际应用。本工作综述了超声空化作用及其在湿法浸出过程中的机理,重点介绍了超声强化浸出工艺特点及其优势,指出了超声自身的局限性,并对其未来在本领域的发展进行了展望。
    流动与传递
    内插螺旋立式上行管流场及传热性能的实验研究
    彭德其 杨春霞 张建平 俞天兰 叶为标 李昊
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1248-1256.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219363
    摘要 ( )   PDF (1609KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    通过粒子图像测速流场实验与传热实验相结合,研究了内插螺旋立式上行管的螺旋节距、丝径、中径比等结构参数在不同Re下对流场、阻力及传热性能的影响。结果表明,内插螺旋能够有效扰动和混合管内流体,使管内形成多个纵向旋涡的流体结构、增大管壁附近液体涡量,有利于强化传热。当Re相同时,管内平均流速v、Nu和综合换热性能PEC均随丝径增大而增大,随中径比减小而增大;随节距增大,3种参数均出现增大的趋势,节距大于20 mm后开始减小。管内流体的阻力f随丝径和节距增大而减小,随中径比增大而增大。综合比较,在较低Re时,节距p=20 mm、丝径e=1.6 mm、中径比D/d=0.75时综合传热效果最好。
    溶液除湿器间歇运行的可行性研究
    黄志甲 周恒 卓飞飞
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1257-1264.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219379
    摘要 ( )   PDF (613KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    为解决溶液除湿器运行过程中的空气带液问题,提出一种送风过程和喷淋过程分开进行的除湿器间歇式运行的方法。建立了除湿器数值模型,通过实验数据和模拟数据对比,验证了模型的可行性,基于该模型,研究了溶液除湿器的填料静持液量、填料高度和空气入口参数对间歇运行系统除湿效果的影响;为保证间歇式运行满足除湿需求,且送风连续,设计了四种不同的送风制度,对不同送风制度的运行效果进行了模拟。结果表明,采用该间歇式溶液除湿方法时,应将填料静持液量控制在4.575~6.100 kg/kg范围内,填料高度控制在0.45~0.75 m范围内;该间歇运行方法能解决传统溶液除湿器运行时的空气带液问题;入口空气处于低温高湿状态(如温度为20℃,相对含湿量为95%),除湿效果最佳;并联交错送风制度运行除湿效果最佳,运行期间基本保持除湿率大于5 g/kg,能够持续送风且满足除湿需求。
    液隙式热泵膜蒸馏海水淡化系统的热力性能分析
    张绮钰 童乐 岳晨
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1265-1272.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219350
    摘要 ( )   PDF (705KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    热泵膜蒸馏是一种新型的膜分离技术,在处理高浓度盐水方面具有很大的优势,而目前的热泵膜蒸馏系统存在渗透量较低、冷却水消耗量大等问题。为提高渗透量、减少冷却水的消耗,设计了一种新型液隙式热泵膜蒸馏的海水淡化系统,通过在Aspen Plus中自定义膜模块建立经过实验验证的系统仿真模型,研究了进料液温度、渗透侧温度及进料流量对系统膜通量及能效比等热力参数的影响。结果表明,渗透侧温度降低可引起渗透量增加和能效比减小,且在低渗透侧温度情况下渗透侧温度的改变对能效比影响更大。随着渗透侧温度变化,存在一个渗透侧温度使造水比最大且吨水能耗最小,研究工况下最大造水比可达3.42,最小吨水能耗为463 MJ/t,且该最佳渗透侧温度随进料液温度增加而增加。进料液流量增加可引起渗透量和能效比增加,引起吨水能耗升高和造水比降低,当进料液流量小于3 L/min时,进料液流量增加对吨水能耗和造水比的负面影响较显著,进料液温度为50℃时,料液流量从1.5 L/min增至3 L/min,造水比的降低幅度可达33.5%;料液流量从4.5 L/min增至6 L/min时,造水比的降低幅度降至10.6%。
    具有黏结颗粒的搅拌槽功率特性
    熊浩 包雨云 汪晶 蔡子琦
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1273-1280.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220040
    摘要 ( )   PDF (693KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    功耗是搅拌反应器设计和放大过程的重要参数。在圆柱形搅拌槽内通过实验研究了相对液体体积、转速和物料高度对功耗的影响,采用离散元方法(DEM),用Hertz-Mindlin with JKR模型模拟了不同相对液体体积颗粒的黏结力对功耗的影响。结果表明,随相对液体体积增大,功耗呈先增大后减小的变化趋势,在相对液体体积为0.0162时达到最大值。随转速增大,功耗增长变快,但随相对液体体积增大,转速对功耗的影响指数呈先减小后增大的趋势。不同物料高度的功耗最大值均为饱和颗粒的1.8倍,不同物料高度的单位质量功耗随相对液体体积的增长速率几乎一致。提出了新的间接测量颗粒间黏结力的方法,发现功耗与黏结力呈线性关系。
    反应与分离
    不同粒径改性粉煤灰对磷酸根吸附性能的影响
    杨建林 张宇鳌 马淑花 王晓辉
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1281-1288.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219382
    摘要 ( )   PDF (2547KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    废水排放过量的磷导致水体污染日益严重,将粉煤灰通过化学改性制备成了水化硅酸钙吸附剂,研究了改性吸附剂对磷酸根的吸附效果。利用XRD, SEM及BET比表面积等手段对粒度分级前后的吸附剂进行表征,研究不同粒级吸附剂对磷酸根的吸附性能,并考察其吸附机理。结果表明,不同粒级的吸附剂其化学成分出现了明显的偏析现象,孔隙结构也差异显著。相比其他粒径下的吸附剂颗粒,颗粒粒径在50?75 μm时,吸附剂中钙和硅含量较多,铝、铁和镁含量较低,水化硅酸钙组分含量最高,且伴有含铝的托贝莫来石晶体出现,钙离子的增加使其可以与更多的磷酸根结合形成沉淀。同时此粒径下具有较高的比表面积及孔隙度,疏松多孔的结构为钙离子提供更多活性位点。当使用粒径在50?75 μm的吸附剂吸附磷酸根时,磷的饱和吸附量可达到17.1 mg/g,比未分级的吸附剂高19.58%。
    载铜树脂处理高含盐氨氮废水的性能
    殷若愚 陈云嫩 何彩庆 刘晨
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1289-1295.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219368
    摘要 ( )   PDF (947KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    针对高含盐氨氮废水,选择具有不同功能基团的树脂为载体,进行负载Cu2+改性制得载铜树脂并对其处理高含盐氨氮废水的性能进行研究。在筛选出最佳载铜树脂的基础上,研究pH及Na+浓度、树脂投加量、反应时间对载铜树脂处理高含盐氨氮废水效果的影响,通过对吸附氨氮前后的载铜树脂进行SEM和EDS表征分析并构建吸附动力学模型以进一步探究配位吸附的过程。结果表明,Cu2+可与螯合树脂D751稳定结合且在宽pH值下均表现出耐盐性和良好的氨氮吸附效果;在室温(25℃)、pH=11及Na+浓度4 g/L、树脂投加量8 g/L、反应时间60 min的条件下,D751载铜树脂对氨氮的去除率为34.8%。D751载铜树脂吸附氨氮后其表面出现明显的晶状结构物质,该物质可能为铜氨络合物。D751载铜树脂对高含盐氨氮的吸附符合准二级动力学模型。
    过程与工艺
    油酸钠与苯甲羟肟酸钠协同体系中金红石的浮选机理
    刘明宝 郭万中 田思雨 陈梅
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1296-1303.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219332
    摘要 ( )   PDF (879KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    采用单矿物浮选实验研究了油酸钠(SO)和苯甲羟肟酸钠(BHA)组合药剂体系中金红石的浮选行为,利用Zeta电位、接触角、表面张力、紫外漫反射光谱等手段分别从固?液、液?液界面化学角度研究了组合药剂之间、组合药剂与矿物之间的作用机制以及组合药剂对金红石浮选行为的影响机理。结果表明,药剂添加顺序对金红石浮选回收率有较大影响,不同pH值下组合药剂之间有明显的正协同效应,金红石回收率及协同效应指数的大小顺序为先苯甲羟肟酸钠后油酸钠>预先混合再添加>先油酸钠后苯甲羟肟酸钠;油酸根离子中富电子的双键与苯甲羟肟酸根离子中缺电子的苯环可能发生电子共轭效应并可生成多种离子间缔合物,缔合物在金红石表面吸附时最佳空间几何构象能否形成及形成数量的多寡对药剂之间的协同效应及金红石的浮选行为具有举足轻重的影响。金红石与组合药剂作用后的漫反射光谱显示组合药剂对金红石浮选回收率与其对金红石带隙宽度的影响顺序一致。
    资源化消纳高浸铅银渣底吹+侧吹炼铅工艺优化
    杨泽 崔雅茹 郝禹 赵律 王正民 张庭亮 赵俊学 朱凡
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1304-1312.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219376
    摘要 ( )   PDF (1081KB) ( )  
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    铅锌资源互补是企业实现多金属综合回收的主流方向。针对汉中锌业底吹+侧吹炼铅系统混配高浸铅银渣、冶炼烟灰等含铅物料后,面临的氧化熔炼热量不足、炉渣过程控制困难、还原渣稳定性差等难题,在对原有工艺综合评价基础上,结合热力学分析和炉渣性能测定结果,提出了以渣型调控为主线的工艺优化思路。研究表明,底吹炉补热方式由硫磺为主转向以烟煤为主、硫铁矿为辅,可提升氧化熔炼温度至1050℃,还原熔炼降温至1250℃;控制还原熔炼渣FeO/SiO2质量比在1.2~1.6,CaO/SiO2质量比在0.4~0.6之间,ZnO≤20wt%,可确保混配含铅废料的直接炼铅过程顺行。工艺优化后,氧料比由120 Nm3/t降至110 Nm3/t,混配高浸铅银渣比例升至24wt%;氧化熔炼与还原熔炼烟尘率同比降低13.47%与15.82%,粗铅成本同比降低10.63%。
    基于离散元方法的金属粉末铺粉动力学研究
    南文光 顾益青
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1313-1320.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220210
    摘要 ( )   PDF (2229KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    增材制造技术在航空航天、医疗技术及运输和能源中的应用得到快速增长,其常用方式之一是基于粉末加工。该技术主要瓶颈之一往往与铺粉过程形成的粉层质量有关,颗粒动力学机制尚不清楚,且受铺粉装置的类型和颗粒的黏附性影响很大。本工作基于实验测量和表征的单个颗粒的真实物理和力学参数,采用离散元方法对增材制造常用气雾化金属粉末的铺粉过程进行了数值模拟分析,比较了刮刀和辊子两种铺粉装置中粉堆内颗粒速度和轨迹及最终铺粉层的质量,并分析了这些参数对颗粒黏附表面能的敏感程度。结果表明,相比于刮刀铺粉,在辊子铺粉过程中,由于辊子旋转运动的作用,粉堆内部存在多条拱形速度带和颗粒对流,且在形成铺粉层之前,颗粒需要经历爬坡上升和下坡滑落两个过程,运动轨迹更长。另外,两种铺粉装置中铺粉层颗粒总体积均随颗粒表面能的增加而降低,但与刮刀铺粉相比,辊子铺粉中铺粉层颗粒总体积小,且对颗粒表面能更加敏感。铺粉装置类型和颗粒黏附性对铺粉层质量的影响可以归因为铺粉层的形成机制,即颗粒从粉堆中进入铺粉间隙的难易程度及铺粉间隙中刮刀或辊子对颗粒的拖曳作用。
    材料工程
    流态化气相沉积中FeSi5Cr5.5/SiO2核壳结构的演化过程
    吴朝阳 先琛 贾吉祥 樊希安 廖相巍 张明亚
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1321-1328.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219371
    摘要 ( )   PDF (1280KB) ( )  
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    以正硅酸乙酯为SiO2绝缘介质前驱体,FeSi5Cr5.5合金球形粉末为基体,研究了流态化气相沉积中FeSi5Cr5.5/SiO2核壳结构的形成时间及演化过程。利用X射线衍射仪、场发射扫描电镜和X射线光电子能谱仪对不同沉积时间下制备粉末样品的显微特征进行了分析,利用振动样品磁强计和四探针电阻率测试仪表征了粉末样品在室温下的磁滞回线和电阻率。结果表明,在流态化气相沉积过程中,从原料FeSi5Cr5.5合金粉末到完全转换成FeSi5Cr5.5/SiO2核壳结构粉末至少需要30 min,且转换过程符合三维岛状形核生长模型。在FeSi5Cr5.5/SiO2核壳结构中分别存在5种氧元素结构和4种硅元素结构,形成FeSi5Cr5.5/SiO2核壳结构后粉末电阻率提高了3~4个数量级,但饱和磁感应强度降低了约9.6%。
    陶瓷膜过滤器内流场及热致损毁机理模拟分析
    司凯凯 陈运法 刘庆祝 熊瑞 孙广超 刘开琪
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1329-1335.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220010
    摘要 ( )   PDF (1222KB) ( )  
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    高温气体净化用陶瓷膜的热稳定性是陶瓷膜过滤器能否长期稳定运行的关键。基于标准k??湍流模型和多孔介质模型,对陶瓷膜过滤器内的气体流动进行了数值模拟,研究了稳态过滤阶段装置内气体速度场、压强场及温度场的分布特点,对比了非稳态脉冲清灰前后装置内的温度场变化,定量分析了脉冲清灰阶段热力耦合致陶瓷过滤材料损毁的机理。结果表明,模拟所建立的模型能较真实地反映气体在烟气过滤及脉冲清灰过程中的场分布特点。在稳态过滤阶段,气体在进/出气管处流速较高,在净气室和含尘室内流速较低,滤管内气体流速沿管体轴向向上逐渐增大,而气体压强逐渐减小,过滤器温度不随位置改变而变化。在非稳态脉冲清灰阶段,反吹入口附近的气体温度场形成低温区,在管轴向剖面上呈近椭圆形分布,沿轴向向下管内壁温度先降低后回升,而管内气体温度逐渐增大,含尘室内的温度几乎不变。在距离陶瓷膜过滤管顶部0.0664 m处,材料受到的热应力最大,为2.8 MPa。该处为陶瓷膜过滤管脉冲清灰过程中最易损毁的位置。
    掺锰超轻支撑剂的制备及性能研究
    范俊梅 刘丹 王显光 石秉忠 袁方利
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1336-1343.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220180
    摘要 ( )   PDF (1597KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    在保证支撑剂高强度的条件下,尽可能降低支撑剂的视密度是页岩气清水压裂技术开发的关键。本工作以低品位铝矾土、微米SiO2为主原料,水玻璃、纳米SiO2、氧化锰为辅料,用等离子动态烧结和后期高温烧结法制备方法制备超轻支撑剂,探讨了不同氧化锰掺杂量和不同烧结时间对其物相成分、体积密度、视密度和承压69 MPa下破碎率的影响。并基于经典PKN压裂模型模拟超轻支撑剂在裂缝中沉降与运移规律进行研究。结果表明,成功制备了视密度为1.639 g/cm3,在69 MPa下破碎率8.91%的超轻支撑剂,其最佳氧化锰掺杂量为7.5wt%,最佳烧结温度和烧结时间为950℃和2 h。超轻支撑剂比常规支撑剂在水平方向上运移了更长的距离,支撑剂在裂缝内部的分布也相对更均匀,可以满足中深油井的清水压裂要求。
    环境与能源
    三价铁离子浓度对As(V)-Fe(II)-Fe(III)体系沉淀臭葱石的影响
    岳馥莲 沈蔡龙 张广积 杨超
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1344-1352.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219381
    摘要 ( )   PDF (2745KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    在常压、95℃、初始pH=1.5的条件下,研究了As(V)–Fe(II)–Fe(III)体系中初始Fe(III)浓度对砷的去除率和臭葱石合成的影响。结果表明,溶液中初始Fe(III)/As(V)摩尔比为0时,沉淀产物为结晶度良好的臭葱石,但砷的去除率仅为24.3%,沉淀浸出砷浓度高于国标规定的浓度限值5 mg/L。溶液中初始Fe(III)/As(V)摩尔比大于0时,在升温过程中生成了无定形砷酸铁,当初始Fe(III)/As(V)摩尔比不超过1.6时,砷酸铁反应8 h后转化为臭葱石;随初始Fe(III)/As(V)摩尔比增大,砷的去除率增大,臭葱石沉淀的结晶度降低、浸出砷浓度降低;其中,初始Fe(III)/As(V)摩尔比为0.8和1.6时,臭葱石沉淀的浸出砷浓度低于5 mg/L,适合安全堆存。当初始Fe(III)/As(V)摩尔比大于1.6时,无定形砷酸铁反应8 h仍不能转化成臭葱石,砷的去除率降低,沉淀浸出砷浓度超标,不适合安全堆存。
    高落差粉尘扩散规律和分布特征
    陈宜华 顾明言 陈颂 葛连梦
    过程工程学报. 2020, 20(11):  1353-1362.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220008
    摘要 ( )   PDF (1039KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    高溜井放矿过程中会形成强大的冲击气流引起粉尘扩散,造成严重的井下环境污染,对其进行有效治理一直是井下通风除尘的工作重心,本工作利用相似实验和数值模拟相结合的方式探究溜井放矿过程中粉尘的扩散规律和分布特征。通过改变放矿质量、矿石粒径、溜井密闭程度、含水率等因素测试不同条件下气流大小和粉尘浓度分布,并利用CFD-DPM耦合方法模拟卸矿过程中的气?固两相流,研究气流和粉尘浓度时空分布特征。结果表明,最大粉尘浓度和风速随放矿质量增加而上升,随颗粒粒径和溜井密闭程度增大而降低,且含水率越大,粉尘浓度越小,风速无明显变化,在放矿过程中矿石颗粒之间碰撞占主导作用,颗粒流呈横向分布。