过程工程学报

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过程工程学报. 2021, 21(5): 0.

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烧结烟气活性炭脱硝机制

韩云龙纪杰杨小白钱付平胡永梅

过程工程学报. 2021, 21(5): 495-505. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220118

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烧结烟气氮氧化物(NOx)排放占钢铁行业NOx排放总量的50%以上，随着环保法规的日益严格，现有及新建烧结机只有装设烟气脱硝装置才能满足排放法规的NOx排放要求。而活性炭微孔丰富、比表面积大、吸附能力强，低温时即可同时脱除烟气中的SO2, NOx、粉尘及其他有害气体。因此，低温烧结烟气活性炭脱硝具有显著的特点及技术优势，但活性炭脱硝易受烟气中SO2和H2O的影响。本工作综述了低温烟气活性炭脱硝机理，主要包括物理吸附、化学吸附及选择性催化还原反应。烟气中氧气的存在起氧化作用，能有效提高活性炭的脱硝率；而SO2, H2O和NO存在竞争吸附作用会降低活性炭的脱硝性能，详述了SO2和H2O对活性炭脱硝的抑制作用及影响。阐述了活性炭负载过渡金属、稀土金属等金属氧化物化学改性对脱硝性能的促进作用及其脱硝机理，并对多元金属的负载进行了介绍；最后对烧结烟气活性炭低温脱硝技术进行了展望。

航空发动机燃烧室叉排波瓣喷嘴的分级喷射及气动特性

王力军门阔徐义俊

过程工程学报. 2021, 21(5): 506-515. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220057

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搭建了由13个波瓣喷嘴采用5?5叉排方式布置的航空发动机分级燃烧室水模型实验台，通过改变各喷嘴的分级喷射方式实现不同的工作载荷。对30%及巡航两种载荷下的模型燃烧室，分别采用2级和3级两种燃烧组织方式下的空气动力学流场特性进行了水模拟示踪实验和数值模拟研究。对两种分级燃烧方式，通过实验和数值模拟研究了改变两种载荷下的油气比时，各级波瓣喷嘴所诱发的复杂涡系结构和涡量的大小、形态、相互作用和演变规律等气动特性。结果表明，两种分级喷射方式的涡系结构均可分为初始段、过渡段和发展段；各涡系之间历经了从独立到合并重组、再变成新涡系等演变和相互作用过程；增加油气比对两种分级喷射的过渡段影响均较大。空气模型、水模型流场的计算结果与实验结果吻合良好，验证了研究结果的可行性和可信度。

新型结构微孔膜滤板清灰性能的数值模拟

刘哲陈路敏钱付平叶蒙蒙魏民韩云龙鲁进利

过程工程学报. 2021, 21(5): 516-529. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220126

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为探究不同影响因素对旋转脉冲清灰微孔膜除尘器所使用的新型结构微孔膜滤板清灰性能的影响，采用CFD方法对其脉冲清灰流场进行了数值模拟，通过与文献实验数据比较，验证了数值计算模型的准确性，考察了喷吹压力、喷吹高度、喷吹管末端与入口端直径比、喷孔直径及滤板长度对新型结构微孔膜滤板壁面平均峰值压力的影响，并对滤板侧壁压力分布随喷吹时间变化的规律进行了研究。设计了五因素三水平正交试验，以滤板平均峰值压力为设计指标，分析获得最佳的清灰系统参数。结果表明，增大喷吹压力、喷孔直径及减小喷吹管末端与入口端直径比均可以提高滤板壁面平均峰值压力，有利于提高新型结构微孔膜滤板的清灰性能；喷吹高度对滤板壁面平均峰值压力的影响较小，但提高喷吹高度可有效减小滤板顶部的负压，顶部负压减小有利于提高微孔膜滤板的使用寿命；滤板侧壁压力会随喷吹时间变化而不断变化，使不同时刻下滤板侧壁的压力分布不同；滤板长度逐渐增加会对新型结构微孔膜滤板中下部的清灰效果产生不利影响。

基于偏态和峰度的丁胞传热管性能分析

廖文玲

过程工程学报. 2021, 21(5): 530-540. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220101

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建立含不同参数的正六边形截面丁胞传热管有限元分析模型，仿真研究雷诺数为5000~40000时丁胞组合类型、深度和直径对传热管中流体流动及传热性能的影响。此外，采用离散方法计算并分析丁胞参数对传热管表面偏态和峰度的影响。最终基于丁胞参数对偏态和峰度的影响规律对丁胞传热管的性能进行分析。研究结果表明，凹坑或凸起丁胞通过增强流体的回流效果及削弱流体边界层厚度，能够有效增强传热管内流体的流动及传热性能，且凹坑丁胞的影响优于凸起丁胞。此外，不同丁胞组合类型的影响表现为偏态越小、传热管的流动及传热综合性能越好。然而，对于凹坑丁胞传热管，其表面偏态越大、峰度越小，传热管的流动及传热综合性能越好，增加凹坑丁胞深度和直径可增大偏态、减小峰度。

不同排列结构的纤维层对捕集PM2.5性能影响的数值模拟

楚明浩刁永发张俪安庄加玮

过程工程学报. 2021, 21(5): 541-549. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220152

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基于离散颗粒模型(Discrete Phase Model, DPM)研究了三种纤维排列结构捕集颗粒物规律。模拟了不同排列结构的纤维层在拦截和惯性碰撞两种捕集机制下捕集颗粒物的性能，考察了颗粒物粒径、入口风速和纤维层填充率对平行排列、单层垂直排列和双层垂直排列纤维层捕集颗粒物性能的影响。结果表明，当颗粒物粒径为0.5~2.5 μm，风速为0.6 m/s时，垂直纤维层捕集颗粒物对粒径为1.5 μm及以上颗粒物的捕集性能增强，捕集性能在粒径为2.0 μm时达到最大；入口风速为0.2~0.8 m/s，颗粒物粒径为2.5 μm时，单层垂直纤维层结构颗粒物捕集效率随风速增加而增加，并高于平行排列结构和双层垂直排列结构，且其捕集性能随风速增加而降低；纤维层的填充率为6.0%~22.4%，颗粒物粒径为2.5 μm时，纤维层对颗粒物的捕集效率随填充率增加而增加，捕集颗粒物性能随填充率增加而降低，单层垂直纤维层结构捕集效率始终高于另外两种结构；单层垂直纤维层结构对颗粒物的捕集速率最大。

高雷诺数下变截面分流歧管面积比对流体分配性能的影响

杨宏刚王楠王怡姚蕾采晓帆

过程工程学报. 2021, 21(5): 550-557. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220393

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在高雷诺数(Re=5×105~30×105)下，对不同主管形状和面积比的分流歧管流体分配性能进行数值模拟。通过计算各支管出流流量比(Q/Qave)与流量分配均匀性指数(U)，分析Re和主管形状以及面积比(AR)对分流歧管流量分配性能的影响。结果表明，与低Re下的分流歧管流量分配性能高度依赖于Re的规律不同，高Re(5×105~30×105)下分流歧管的流量分配性能几乎不受Re的影响；在相同Re与AR下，主管形状为三角形渐缩的分流歧管的流量分配性能优于其他两种主管形状；随AR增加U总体呈下降的趋势，当AR?1.0时，随AR增大，三种主管形状的分流歧管流量分配均匀性均显著下降，当AR=0.8~1.0时，分流歧管的流量分配均匀性指数变化不明显。

水平圆管内油水两相旋流分隔性能分析与评价

邢雷蒋明虎赵立新谯意韩国鑫

过程工程学报. 2021, 21(5): 558-566. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221002

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油水分离后的测量技术广泛应用于石油开发、污水处理及化学工程等领域。如何实现快速高效的油水分隔，是精密测量领域的关键技术之一。目前，油水分隔器的结构形式较为多样，有必要开展不同分隔器的性能对比和评价研究。采用粒子成像测速技术、分隔性能实验及数值模拟等方法，对三种不同结构水力旋流器的分隔性能进行对比分析，形成了一种用于水平圆管内评价油水两相分隔性能的计算方法。结果表明，螺旋流道和导流叶片式旋流器可使流场的轴心区域形成回流，两种结构存在不同尺寸的零轴向速度包络面。入口雷诺数为6.68×104时，导流叶片结构后端流场的切向速度最大，但随着轴向距离增加，切向速度衰减程度增大，在500 mm轴向长度内切向速度最大值衰减94.05%。螺旋流道结构形成的油核在圆管轴心处体积分数最大，聚集程度更好。为了对不同结构旋流器的分隔性能进行定量评价，以圆管内轴心油核径向聚集程度及轴向的延伸长度为评价指标，形成了圆管内油水分隔效率计算方法。通过对三种结构在不同雷诺数下的分隔效率进行对比，得出螺旋流道结构呈现出了最佳的分隔性能。入口雷诺数在4.14×104~10.7×104范围内增大时，螺旋流道式旋流器的油水分隔效率由16.6%提升至82.1%，高于其他两种结构。分隔效率评价结果与分隔性能实验结果呈现出了相同的规律性，验证了分隔效率评价方法的可行性及准确性。

LX-92树脂对硫酸体系低浓度镓离子的动态吸附

文朝璐孙振华李少鹏马志斌李会泉

过程工程学报. 2021, 21(5): 567-578. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220142

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研究了粉煤灰模拟硫酸浸出液中的镓在聚苯乙烯树脂(LX-92)上吸附分离的可能性，采用固定床吸附装置考察了树脂动态吸附?脱附镓的行为，利用Thomas, Yoon-Nelson和Adam-Bohart经验模型对动态吸附过程进行了分析和预测。结果表明，降低流速(F)、增加床层高度(Z)、减小镓(Ш)初始浓度(C0)有助于提高固定床吸附效率和平衡吸附容量；在C0为260 mg/L, Fad为5.0 mL/min、吸附温度为55℃的条件下，树脂的最大动态平衡吸附容量为56.65 mg/g；用3.0 mol/L H2SO4在1.0 mL/min流速的最佳洗脱条件下，洗脱率达到94.40%；树脂在硫酸体系中对低浓度镓离子的吸附?脱附具有良好的循环使用性，经过吸附?脱附镓离子可富集10倍以上；树脂吸附镓的动态行为满足Yoon-Nelson动态吸附模型，建立了动态吸附速率常数KYN和半穿透时间τ值常数与初始离子浓度、流速、床层高度的对应方程，为低浓度镓离子的吸附法提取工程化提供了理论基础。

正渗透膜过程中临界通量的影响因素

杨烨唐睿孙玉柱宋兴福于建国

过程工程学报. 2021, 21(5): 579-586. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220134

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临界通量是膜过程中一种重要的污染特性指标。采用阶梯汲取液浓度递增法测定不同污染物、架桥离子浓度及膜面流速对正渗透(FO)膜过程临界通量的影响。结果表明，海藻酸钠(SA)、腐殖酸(HA)及二氧化硅(SiO2)污染时FO膜临界通量值分别为29.32, 46.35和32.17 L/(m2?h)；随Ca2+浓度由0 mmol/L增大至10 mmol/L，SA污染下FO膜的临界通量由29.22 L/(m2?h)显著降低至9.48 L/(m2?h)，原因为Ca2+与SA分子中的羧基的螯合作用及Ca2+在膜?污染物之间的架桥作用；此外，当膜面流速从5 cm/s增至15 cm/s时，SA-Ca2+污染下的FO膜临界通量由9.48 L/(m2?h)提高至31.59 L/(m2?h)，表明改善膜表面湍动有利于提高临界通量，扩大操作通量范围。

尿素羰化法绿色合成间苯二亚甲基二氨基甲酸酯

黄小雨曹俊雅韩风刚王利国曹妍贺鹏徐爽陈家强仪凡李会泉

过程工程学报. 2021, 21(5): 587-593. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220087

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间苯二亚甲基二氨基甲酸酯(XDC)是非光气绿色合成特种异氰酸酯间苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)的关键中间体。本工作以TiO2作为催化剂，以尿素、间苯二甲胺(XDA)和乙醇为原料绿色高效合成XDC。通过气质联用，分析了XDC合成的主副反应，推测了主反应路径，并优化了反应工艺条件。结果表明，以TiO2作为催化剂时，催化剂用量为0.2 g，即约为15wt% XDA，乙醇用量为0.2 mol，n(urea):n(XDA)=3:1，反应温度为205℃，反应时间为6 h时，XDA转化率为100%，XDC收率可达82.4%。本研究提供了XDC绿色高效的合成方法。

用于细菌生物膜感染治疗的Pickering乳液制备

包谢茹吴颉马光辉

过程工程学报. 2021, 21(5): 594-600. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220140

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人体常见的持续性感染疾病通常与细菌生物膜有关。使抗菌药物高效渗透到细菌生物膜内部并杀伤细菌是治疗细菌生物膜感染的关键。本研究构建了一种具有强渗透性和杀菌性的Pickering乳液。该Pickering乳液以天然抗菌剂丁香油为油相内核，以稳定吸附在油水界面的正电壳聚糖纳米颗粒(CS-NPs)为外壳，通过与负电胞外基质的静电相互作用，实现对细菌生物膜的强渗透。制备的壳聚糖纳米颗粒平均粒径为590.30±3.90 nm，多分散性指数PDI为0.125±0.003，平均电势为15.60±0.40 mV。Pickering乳液平均粒径为2312±53 nm，多分散性指数PDI为0.137±0.013，平均电势为26.45±0.55 mV。细菌生物膜渗透实验与杀菌性能实验表明，该Pickering乳液对细菌生物膜有较强的渗透能力，并能有效地杀伤细菌。该Pickering乳液有望用于治疗人体与细菌生物膜相关的持续性感染。

闭式热源塔运行参数对热泵系统性能的影响

冯荣刘晔孟欣

过程工程学报. 2021, 21(5): 601-608. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220079

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热源塔风机和防冻溶液循环泵是热源塔热泵系统中除压缩机外的主要耗电设备。通过改变热源塔风机和防冻溶液循环泵的工作频率，实验研究了冬季制热工况下闭式热源塔运行参数对热源塔吸热量和热泵系统性能的影响，研究结果表明，热源塔风机频率降低导致热源塔吸热量、系统制热量和热泵机组COP下降，但使系统能效比增大；热源塔吸热量随循环泵频率的增加先升高后降低并在25 Hz时达最大值，系统制热量同样随循环泵频率的增加先升高后降低，且随着风机频率的增大，制热量最大值对应的循环泵频率由35 Hz变为25 Hz；同时循环泵频率增加使热泵机组COP增加，但系统能效比减小；循环泵和风机频率均在15 Hz时，压缩机压缩比增大，压缩机效率低；系统制热量最高超过14.30 kW，热泵机组平均COP最高为3.31，系统平均能效比最高可达2.37。

纤维素热解生物油分子尺寸分布特性

王亚思张开银刘慧利丁宝平郑敏

过程工程学报. 2021, 21(5): 609-616. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220097

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分子筛催化剂的孔径与生物油分子尺寸之间的差异造成分子筛催化剂的择形选择性。分子筛的孔径数据来自晶体结构分析，而生物油的分子尺寸数据很难获得，对生物油的分子尺寸进行估算十分必要。采用热裂解气质联用技术(Py-GC/MS)研究了纤维素热解生物油的组成成分，以Joback基团贡献法为基础计算了纤维素热解生物油各组成成分的动力学直径，分析了纤维素热解生物油的分子尺寸分布特性。结果表明，纤维素在350~600℃热解产生生物油的主要成分为脱水糖、呋喃衍生物和酮类化合物，生物油各组成成分的动力学直径主要分布在[0.500, 0.600) nm。当热解温度由350℃升至600℃时，动力学直径位于[0.550, 0.600) nm的生物油各组成成分的峰面积百分比由88.72%降至64.53%，位于[0.500, 0.550) nm的生物油各组成成分的峰面积百分比则由2.88%升至21.95%。纤维素催化裂解制备高品质液体燃料可选用ZSM-5, ZSM-11和IM-5等孔径尺寸0.500~0.600 nm的分子筛催化剂。

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