过程工程学报

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过程工程学报. 2021, 21(3): 0.

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极板凹凸结构形状对电解槽内部流动特性的影响

李军王娟张佳邹槊何星晨万加亿

过程工程学报. 2021, 21(3): 251-258. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220077

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目前压滤式水电解槽极板普遍采用球形凹凸组合结构，目的是能够增强流动的扰动程度，使电解液分布更加均匀。为了进一步改善流场分布，将五种不同形式的凹凸组合结构与电解单元极板结构相结合，采用数值模拟方法分析并比较了不同凹凸组合结构通道内部的流动特性和流场分布特点。结果表明，五种结构通道内的速度分量uz均存在负速度分布区域，且该区域内的湍动能值较大；局部涡旋均表现为凹陷结构边缘处向凹陷内部发展的涡旋运动，涡旋流动细节与凹凸结构形式密切相关；平均涡通量及涡量值的分布表明凹凸结构主要影响局部区域的涡旋强度，对整体流动影响较小；流场分布均匀性与凹凸结构迎风面的形状尺寸等因素有关，其中Case D泪滴形结构的流场分布均匀性最好。

LJ势氩系统分子动力学模拟中截断半径的选择

孙晨阳侯超峰葛蔚

过程工程学报. 2021, 21(3): 259-264. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220107

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近年来在分子动力学方法研究LJ(Lennard-Jones)势氩系统时，越来越多的计算建议采用4.5?甚至更大的截断半径(?为氩原子直径)。本工作研究了不同截断半径对等温等压NPT系综氩系统熔沸点相图的影响，分析了不同截断半径下在氩系统的熔点及液相区域不同热力学状态点的径向分布函数和速度自相关函数。结果表明，以熔点为基准，在距离其相同液态温区分率的热力学温度点能获得相同的热力学性质，2.5σ的截断半径在模拟的准确性和计算性能上均能满足模拟的要求，本工作为液氩模拟中截断半径的选择指明了一个新的思考方向。

催化剂孔道结构设计及孔内反应-扩散耦合模拟

魏格林李成祥葛蔚李金兵

过程工程学报. 2021, 21(3): 265-276. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220111

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采用硬球-拟颗粒(HS-PPM)耦合方法并结合简化的集总反应模型，模拟了碳四(C4)烯烃催化裂解过程中反应物和产物在孔道内的反应?扩散耦合过程，提出了一种多级孔道结构可控设计方法，实现了对孔隙率、孔径和孔体积占比等参数的独立量化调控，建立了包含三种不同孔径分布的催化剂孔道模型并定义了量化参数对反应?扩散耦合进行表征。结果表明，各组分在复杂孔道内的扩散过程显著受限，反应?扩散耦合性能较差，导致催化剂总体性能降低，达不到本征动力学允许的高反应速率。提出的可控设计孔道模型结合HS-PPM耦合模拟方法有助于催化剂材料的孔尺度结构的设计。

气液混合式撞击流反应器流场特性数值模拟

郭栋梁海峰

过程工程学报. 2021, 21(3): 277-285. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220114

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撞击流反应器具有高效传质和相间强相互作用等优点，在工业上被广泛应用。基于传统撞击流反应器构建了新型二路加速管同轴对置撞击流反应器，进行了以空气为连续相、液态水为离散相的流场混合特性模拟，分析了不同气相流速下气液高速混合流动过程，研究内部流场速度、压力分布及颗粒直径与停滞时间的变化特性。结果表明，流场分布关于撞击面对称，且驻点处压力、速度波动最剧烈。随初始气相速度增加，流场速度呈先平缓上升再缓慢下降，后急剧下降的趋势；流场压力呈先平缓下降再缓慢上升再急速上升，以M型双波峰逐渐趋于重合的趋势，且驻点处压力值非线性增加。当气相初始速度uout =30 m/s, uin =15 m/s时，撞击区域的速度梯度与压力梯度最大，湍动能最强；液滴在反应器中的平均直径最小、滞留时间较长，且明显优于传统反应器。

273 K及323 K条件下NaCl–NaBr–CH₃OH三元体系相平衡研究及其应用

吴耀李雲郭宏飞刘秀伍陈学青曹吉林

过程工程学报. 2021, 21(3): 286-297. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220084

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为了对苦卤结晶析出的Na(Cl,Br)固溶体中氯化钠组分和溴化钠组分进行分离，测定了NaCl–NaBr–CH3OH三元体系在273及323 K温度时的溶解度数据，根据测得的液相点和湿渣相点确定了对应的固相点，由此绘制出了两个温度下的相图。结果显示，273及323 K温度下该三元体系的相图特征相似，均只有一个共饱点、两条饱和溶解度曲线，对应的固相结晶区有三个：NaCl纯盐结晶区、NaCl和Na(Cl,Br)固溶体共结晶区、Na(Cl,Br)固溶体结晶区。NaBr在无水甲醇中溶解度的增大导致NaCl溶解度大幅减小，说明NaBr对NaCl产生了较强的盐析效应，273 K时两种溶质在甲醇中的溶解度均比323 K时的溶解度大。依据273和323 K的NaCl–NaBr–CH3OH体系相图及298 K的NaCl–NaBr–H2O体系相图设计了分离Na(Cl,Br)固溶体中氯化钠和溴化钠的工艺。

高压水射流对白云鄂博矿单体解离度的影响

高一博白春华王建英吴旭雷霄

过程工程学报. 2021, 21(3): 298-304. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220014

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矿物的单体解离是其能被高效选别的关键因素之一，粉碎方法对矿物单体解离度有很大的影响。白云鄂博稀土矿含十几种稀土矿物，矿物共生密切，嵌布类型复杂，其中稀土主要富集在氟碳铈矿与独居石矿中。分析表明矿物因相互包裹穿插和交代而形成毗连、网脉、溶蚀和环状嵌布。为提高矿物的单体解离度，通过自主研发水射流矿物解离装置，探究了水射流速度对白云鄂博矿稀土单体解离度的影响。在同等粒度分布下，对高压水射流粉碎与常规球磨(铁介质)实验结果进行了对比，分析了两种粉碎方式对稀土矿物解离状态及颗粒界面的影响。激光共聚焦显微镜、矿物特征自动定量分析系统(AMICS)分析表明，高压水射流粉碎白云鄂博稀土矿物单体解离度优于球磨，具有解离度高、粒度相对均匀等特点；矿物颗粒天然界面保持较好、表面较光洁，稀土矿物集中在0.038 mm以下颗粒中，有益于稀土的浮选分离，对白云鄂博矿的矿石粉碎具有一定的指导意义。

响应面法优化西兰花种子萝卜硫素前体脂质体的制备工艺

徐焕普裴朝阳孙仕杰武迎雪许路路韩静徐慧

过程工程学报. 2021, 21(3): 305-313. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220055

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将萝卜硫素制成前体脂质体以提高萝卜硫素的稳定性，改善其水溶性和生物利用度。以包封率和粒径为指标，分别考察了载体材料、表面活性剂种类和用量及脂药比的影响，响应面法优化得前体脂质体的最优处方。通过常温稳定性实验考察了脂质体和前体脂质体的稳定性。结果表明，最优处方为脂药比为6.5:1，NaCl与萝卜硫素质量比为105:1，泊洛沙姆-188与药物质量比为1.5:1。得最大平均包封率为77.43%，平均粒径为160.5 nm。稳定性实验表明，以药物保留率为指标时，脂质体与前体脂质体在60天内稳定性好且萝卜硫素的保留率高。以包封率为指标时，脂质体混悬液产生沉淀，包封率降低，前体脂质体在60天内包封率无明显降低。表明前体脂质体可解决萝卜硫素的氧化变质和脂质体因沉淀、絮凝等原因而造成的包封率降低。前体脂质体包封率高，制备简单，不仅提高了萝卜硫素的稳定性，且可提高萝卜硫素的水溶性，应用前景广阔。

两室气体互通对光合微生物燃料电池性能的影响

朱馨彤何欢朱润云徐志昂韩丰霞普红平

过程工程学报. 2021, 21(3): 314-322. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220088

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以斜生栅藻生长产生氧为电子受体的光合微生物燃料电池(PMFC)和外加CO2光合微生物燃料电池(AC-PMFC)联合构建成微生物碳捕获电池(MCC)。研究MCC在不同运行条件下的产电性能及影响因素。测量MCC, PMFC和AC-PMFC三种系统中的电压、溶解氧和pH。结果表明，产电压趋势与所有系统中的藻类阴极的氧浓度相关，电解液pH也能影响MFC电压的产生。三种类型的MFC中，MCC产电性能最佳，其电压和功率密度分别可达492 mV和102.3 mW/m2，最大功率密度分别比PMFC和AC-PMFC高42.33%, 54.08%。AC-PMFC由于添加了相对高浓度的CO2，抑制了微藻的生物活性和光合作用，产生的电压和功率密度最低。用SEM观察长期运行后的MCC的阴极表面藻类的形貌特征，藻生物膜与电极板表面能够生成一层高浓度的原位氧膜。电化学分析表明斜生栅藻–生物膜本身不能直接接收来自极板上的电子，无生物催化活性。但这层膜可促进O2的还原速率且可有效降低电池内阻。PCR和16S rRNA基因检测技术分析结果表明，MFC中的Chao1指数为170，而PMFC为152，MCC为145，阴极中的过饱和氧可通过管道输送到阳极并影响阳极的微生物群落。本研究结果为进一步改善藻类微生物碳捕获电池性能提供基础。

多晶硅生产用煤基高纯石墨性能及应用

王启立张锋涛高晓峰胡建文

过程工程学报. 2021, 21(3): 323-331. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220030

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本工作以煤焦颗粒和高温煤沥青为原料制备高纯石墨，测试并分析了其微观结构和主要物理性能，将其应用于多晶硅制备工艺的还原炉，发挥夹持硅芯、有效导电和传热作用，探索提升还原炉内生产可靠性和石墨组件复用率的措施。结果表明，高纯石墨试样结构总体较光滑，在不同尺度下局部和整体均展现出良好的结构相似性。制备的高纯石墨材料具有突出的物理性能，体积密度为1.84~1.88 g/cm3，肖氏硬度为55.2~62.4 Hs，抗折强度为33.9~45.6 MPa，抗压强度为66.3~78.8 MPa，热膨胀系数为3.76×10–6/℃~4.08×10–6/℃，电阻率为8.92~11.98 μΩ?m，灰分含量为133~202 mg/kg，各项指标表现优异。根据元素成分分析，碳元素占主体，含量为88.71wt%~90.57wt%，原子含量为92.09at%~93.25at%。除了基体碳元素外，其他元素主要有O, S, Si和Al，O的质量含量为7.15wt%~9.79wt%，原子含量为5.61at%~7.57at%。除C, O两种元素外，其他元素含量均较低，原子含量均低于1at%。通过分析还原炉中硅芯因导电不均质和热量集中引起的“亮点”和“倒棒”现象，优化石墨组件结构，将石墨帽的复用率从5.85%提升至7.28%，石墨座的复用率从7.95%提升至9.01%，倒棒率从14.22%降为4.43%，有效地保障了还原炉内安全生产，降低了硅棒废品率和生产成本，展示了煤基高纯石墨在硅晶材料制备领域的良好应用前景。

太阳盐/钢渣定型复合相变储热材料的制备与性能研究

王燕黄云姚华徐祥贵黄巧王君雷马普生王军生

过程工程学报. 2021, 21(3): 332-340. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220096

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全球范围内的能源短缺和环境污染问题迫使人们积极开发可再生新能源。储热技术是解决新能源不稳定性问题的关键技术。相变材料是重要的储热介质之一。熔盐相变材料因其储热密度高，可操作温度范围广的优势，成为储热材料领域研究的热点。为解决熔盐液相易泄漏、低导热和高成本的问题，选择钢渣为基体材料，制备了太阳盐/钢渣定型复合相变储热材料，并通过扫描电子显微镜(SEM)，热重–差示扫描量热法(TG–DSC)，闪射法导热仪(LFA)和X射线衍射仪(XRD)对复合材料的微观结构、热性能和化学相容性进行了测试与表征。结果表明，钢渣与熔盐质量比5:5的复合材料定型效果最优。复合材料结构紧密；钢渣与熔盐化学相容性良好；复合材料潜热为64.0 kJ/kg，100~500℃内储热密度为945 kJ/kg，热导率高达2.23 W/(m?K)。太阳盐/钢渣复合相变储热材料不仅有利于储热技术的大规模应用，而且为钢铁工业废弃物回收利用提供了良好的参考，对节约资源、保护环境以及提高经济效益具有重要的意义。

部分烧结陶瓷材料力学特性的DEM模拟

张增绪王永昌喻寅刘晓星

过程工程学报. 2021, 21(3): 341-352. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220116

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通过开展三维离散单元法数值模拟，考察了部分烧结陶瓷在单轴拉伸和压缩加载条件下的力学响应行为。模拟结果表明，拉伸加载下试样的破坏表现为裂纹“成核”效应，而压缩加载下则呈现为裂纹“聚并”效应；通过追踪固体键的断裂顺序和断裂模式发现，拉伸加载下固体键的破坏主要源于拉伸作用，而压缩加载下则为剪切作用。试样的宏观断裂强度与固体键临界拉伸强度?c,t和临界剪切强度?c,s有关。对于考察的部分烧结Al2O3陶瓷材料，?c,t=?c,s下模拟得到的试样拉伸强度和压缩强度能与实验数据定量吻合。压缩加载下，固体键断裂强度的分布形式和分布宽度对试样断裂强度的影响较小；拉伸加载下，试样断裂强度取决于固体键的分布形式：高斯分布时，试样断裂强度基本不受分布宽度的影响；均匀分布时，试样断裂强度随分布宽度的增大而减小。

响应面法优化解吸MDEA/PG富液中CO₂再生工艺

张卫风李娟王秋华

过程工程学报. 2021, 21(3): 353-362. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219366

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钙法是利用Ca(OH)2夺取富液中CO2来解吸富液，并以CaCO3形式固定CO2的一种低能耗、低成本的化学再生方法。用Box-Behnken Design(BBD)响应面法对钙法解吸MDEA/PG富液过程进行优化，设定CO2负荷、Ca(OH)2投加量、反应时间和搅拌速率4个影响因子，CO2解吸率为响应值，分析优化得出该方法的最佳解吸条件，并按此条件进行了多重再生–矿化循环动态试验，结合XRD和TEM图对碳酸化反应进行了探讨。结果表明，CO2负荷、Ca(OH)2投加量和搅拌速率对CO2解吸率有显著影响。富液再生的最佳工艺条件是CO2负荷0.8 mol/L、Ca(OH)2投加量1:1、反应时间20 min、搅拌速率800 r/min，此条件下解吸率为83.68%。钙法解吸后MDEA/PG再生液具有良好的可重复使用性。Ca(OH)2可有效矿化封存CO2并能再生MDEA/PG。

稀土精矿负载Fe₂O₃矿物催化材料的NH₃-SCR脱硝性能研究

孟昭磊李保卫付金艳朱超武文斐

过程工程学报. 2021, 21(3): 363-372. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219383

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以白云鄂博富含Ce氧化物的稀土精矿为催化材料的载体，采用硝酸铁溶液浸渍、微波焙烧获得一系列矿物催化材料。采用XRD, SEM, EDS, XPS等手段对催化剂的矿相结构、表面形貌进行表征，并测定了其脱硝活性。结果表明，在0.5 mol/L硝酸铁溶液中浸渍的稀土精矿(Catalyst 3)结构特征最佳，表面粗糙且多孔，出现了明显且较深的裂纹，大部分Fe2O3以高分散或无定形的形式嵌布在稀土精矿上，有利于气体在材料表面扩散；催化材料中Ce3+, Fe2+含量增加，Fe离子与Ce离子价态变化说明Fe与Ce存在联合作用，形成了少部分Fe和Ce的复合氧化物；Catalyst 3表面中、强酸性位点增加，表面吸附NH3的能力增强，其脱硝效果最佳，当微波焙烧温度为350℃时，脱硝率可达80.6%。

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