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2021年 第21卷 第10期 刊出日期:2021-10-28
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过程工程学报. 2021, 21(10): 0.
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计量指标
综述
金属钒的制备方法综述
卢伟亮 张盈 孙沛 郑诗礼 乔珊 张洋 李平 张懿
过程工程学报. 2021, 21(10): 1117-1131. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220294
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计量指标
金属钒性能特殊,素有“工业味精之称”,在冶金、化工、航空、能源、原子能等领域应用广泛。金属钒属于稀有高熔点活泼金属,其高纯金属制备困难,目前主流的制备方法为铝热还原钒氧化物制备粗钒与粗钒真空熔炼提纯的联合工艺,该法能耗高、钒收率低。基于钒氧化物和钒氯化物的热力学性质,研究者还提出了诸多含钒前驱体还原制备粗钒及粗钒精炼制备高纯钒的方法,具体包括钙热还原、镁热还原、真空碳热还原、硅热还原、碳热还原-氮化热分解、熔盐电解脱氧等粗钒制备方法,及熔盐电解精炼、碘化物热分解、固态电迁移等粗钒精炼方法。本工作对上述粗钒制备及粗钒精炼涉及的十余种方法开展了较全面的综述,论述了这些方法的基本原理、技术特点、效果及问题等,以期为高纯金属钒的新制备技术研发和技术升级提供全面的参考依据。
液液旋流分离器的数值模拟研究进展
池燕妮 孟祥海 张睿 刘海燕 刘植昌
过程工程学报. 2021, 21(10): 1132-1141. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220262
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计量指标
旋流分离器是近年来发展非常迅速的液液分离设备,其主要优点是高效、节能、占地面积少且成本低,工业应用广泛。数值模拟是液液旋流分离器研发与研究的重要手段。本工作系统地介绍了目前液液旋流分离器在数值模拟中的研究进展,详细地分析了数值模拟过程中旋流分离器模型的选择、几何结构和操作参数的改变对分离效率和流场的影响及最终的评价指标,并对几何结构和操作参数改变提出了见解,对液滴破碎和聚并、旋涡的数值模拟及开发新的公式评价分离效率进行了展望。
单组元推力器固定床催化分解反应工程基础
侯宝林 李雪 王文涛 卢婷 丛伟民 王浩龙 高德扬 黄传德 单继宏 夏连根 王晓东 张涛
过程工程学报. 2021, 21(10): 1142-1155. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220304
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计量指标
自20世纪60年代肼类化学单组元推力器诞生以来,液体单组元推进技术在卫星轨控、火箭姿态调整和应急动力系统中得到了广泛应用。化学单组元推进技术关键是高能液体化学推进剂在颗粒固定床内催化分解反应过程。由于其化学反应过程的复杂性,目前该类推进技术开发不考虑化学反应工程本质,以热能和空气动力学工程理论为基础,通过大量耗时耗力推力器热实验完成。本工作从化学反应工程角度出发,论述了化工热力学、催化反应动力学、单颗粒催化剂内扩散?反应、催化剂纳微孔道内流体?反应以及在固定床宏观多孔介质中和颗粒堆积形成的介观复杂几何结构内流动?传递?反应的耦合理论,且在化学单组元推进系统中推进剂能量设计,催化剂结构和催化分解固定床设计中的应用。本工作给出了单组元推进技术中相关催化反应工程理论基础,有望为新型绿色化学单组元推进技术的开发提供推进剂配方,为催化剂合成以及分解固定床的设计提供理论基础。
大孔拟薄水铝石和γ-Al
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载体制备研究进展
杨永佳 张新昇 李金 张春光 赵元生 郑诗礼 李平
过程工程学报. 2021, 21(10): 1156-1166. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220368
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计量指标
γ-Al2O3作为催化剂载体在炼油领域具有广泛应用。随着原油资源的重、劣质化,重油加工过程,如固定床渣油加氢、重油催化裂化,对其催化剂载体均提出了大孔要求以满足重油大分子在催化剂孔道内的传质扩散所需,因此,制备适用于重油加工的大孔γ?Al2O3载体受到越来越多的关注。γ?Al2O3性质主要决定于其前驱物拟薄水铝石,本工作综述了大孔拟薄水铝石的主要工业制备工艺,包括沉淀法、醇铝水解法等,并介绍了基于上述工艺所进行的γ?Al2O3载体扩孔研究,如pH摆动扩孔、添加扩孔剂扩孔及水热处理扩孔等。最后,展望了今后大孔拟薄水铝石和γ?Al2O3载体制备研究的重点和发展方向。
流动与传递
重油燃烧器Y型喷嘴气液两相流动与雾化特性模拟
王志奇 陈柳明 肖炳英 谢宝琦
过程工程学报. 2021, 21(10): 1167-1176. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220336
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计量指标
为改善重油雾化质量,针对沥青站重油燃烧器Y型喷嘴,运用CFD (Computational Fluid Dynamics)方法研究了喷嘴结构参数(混合室长度、入口直径比、入口夹角)与雾化参数(重油流量、空气入口压力、重油温度)对喷嘴气液两相流动与雾化特性的影响。结果表明,结构参数与雾化参数直接影响喷嘴内油膜厚度与气液两相速度差;不同参数下,喷嘴气耗率与液滴索泰尔平均直径的变化规律相反;综合考虑两个雾化性能指标,混合室的适宜长度为15~20 mm,入口夹角的合理范围为60°~75°,入口最佳直径比为1.0~1.1;为保证重油获得较好的雾化效果,空气入口压力应大于0.5 MPa,这为优化Y型雾化喷嘴的结构与运行参数提供了参考。
入口粉尘浓度对新型旋流-颗粒床耦合分离器特性的影响
付金壮 常明 范怡平 卢春喜
过程工程学报. 2021, 21(10): 1177-1186. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220339
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计量指标
通过大型冷模实验,考察了入口粉尘浓度对某连续操作新型旋流-颗粒床耦合分离器压降和除尘效率的影响特性。结果表明,入口粉尘浓度越大,达到平衡时分离器的压降越大,压降增速越快,入口粉尘浓度为59.13 g/m3时,分离器平衡压降最大为1.2 kPa;入口粉尘浓度越低,分离器分离效率越高。分离器颗粒床层内捕集颗粒含尘量与再生效率有关,再生尘源浓度越小,分离器压降达到平衡越快。当再生尘源浓度由58.18%降至23.67%,装置压降由1.5 kPa降至1.2 kPa;随着再生尘源浓度降低,分离器除尘效率略微下降。入口粉尘浓度和再生尘源浓度对分离器压降影响的结果一致,对分离器效率影响的结果不同。
过程与工艺
废阴极炭碳热还原法贫化艾萨铜熔炼渣
吴国东 李磊 李孔斋 于勇
过程工程学报. 2021, 21(10): 1187-1195. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220327
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计量指标
以电解铝工艺所产生废阴极炭块为还原剂,可实现艾萨铜熔炼渣中铜的有效火法贫化回收。结合热力学分析,研究了废阴极炭加入量、还原温度、保温时间和CaO添加量对艾萨铜渣中铜贫化回收的影响规律。结果表明,废阴极炭添加量2.0%、还原温度1300℃和保温时间60 min条件下,铜贫化回收率可达98.24%。废阴极炭中F可转移并以CaF2形式固定在贫化尾渣中,尾渣中F?和CN?的毒性浸出浓度远低于国家允许排放标准,实现了艾萨铜熔炼渣铜的高效贫化回收和废阴极炭的资源化利用。
稀释水掺混用薄板式静态混合器结构设计与优化
逯建秋 陈家庆 刘文津 罗权 丁国栋 王小平
过程工程学报. 2021, 21(10): 1196-1206. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220322
摘要
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计量指标
稀释水掺混是油田或炼油厂原油电脱盐系统的关键环节,直接影响电脱盐的效率和运行能耗。为进一步简化设备结构、助力系统降本增效,提出将薄板式静态混合器应用于稀释水掺混环节。在对薄板式静态混合器进行初步结构设计的基础上,对油水混合情况进行计算流体动力学(CFD)三维数值模拟,以离析强度的平方根(IOS0.5)、管路压降(Δp)等作为评价指标,考察了注水管长度、注水管?弯曲薄板间距、弯曲薄板导向位置、弯曲薄板厚度四个结构参数对油水两相混合程度及运行能耗的影响。以混合管路内径D为基准参照,借助响应曲面法(RSM)对关键结构参数进行优化,并对最优结构参数组合下的混合性能进行预测。优化所得最优结构参数组合为注水管长度为1/3D、注水管-弯曲薄板间距为4/25D、弯曲薄板导向位置为1/8π、弯曲薄板厚度为1/25D,结构优化后的IOS0.5相比优化前降低了43.06%。定性分析薄板式混合器内的水相速度云图和流线图可知,当注水比为2%时,油水两相在注水管下游3D处即可达到均匀混合状态,可见薄板式静态混合器能够在小注水比下快速实现油水均匀混合。
材料工程
Fe-(9~11)Cr-Y
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作为ITER结构材料的制备与表征
王珍珍 黄依娜 吴玉程 罗来马
过程工程学报. 2021, 21(10): 1207-1215. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220271
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计量指标
采用传统的机械合金(MA)和放电等离子体烧结(SPS)工艺成功制备了Fe-(9~11)Cr二元合金及纳米氧化物弥散强化(ODS)合金,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对MA粉末的形貌和物相进行分析,用能量色散谱(EDS)、显微维氏硬度仪、光学显微镜、透射电子显微镜(TEM)对合金样品进行表征。结果表明,在转速为300 r/min,球料比为10:1的条件下,MA粉末受到磨球与罐子内壁的撞击,晶粒尺寸不断细化,在40 h粉末晶粒尺寸减小至约16.1 nm趋于稳定。SPS烧结后晶粒尺寸无明显增大,各微量元素均匀分布在基体中。二元合金样品的维氏硬度随Cr含量增加而增大。10CrY合金样品经腐蚀液侵蚀后可粗略看到晶界呈均匀分布。ODS合金样品存在大量的纳米析出相,平均颗粒尺寸约30 nm。
加压碳化体系对纳米碳酸钙粒度和分散性的影响
刘曦曦 陈小鹏 刘晨民 史刘宾 廖丹葵 刘翠 童张法
过程工程学报. 2021, 21(10): 1216-1224. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220278
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计量指标
利用加压碳化体系制备粒径均一、高分散性纳米碳酸钙材料。考察氢氧化钙浓度、表面活性剂添加量、反应温度、CO2压力对制备纳米CaCO3粒子尺寸和分散程度的影响,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、Zeta电位和傅立叶变换红外光谱(FT-IR)对制备的纳米碳酸钙粒子进行表征。结果表明,最优加压碳化反应条件是Ca(OH)2质量浓度为2%、表面活性剂添加量为3%(占碳酸钙理论产量的百分比)、反应温度为40℃、CO2压力为6 MPa,所得立方形碳酸钙平均粒径为117 nm,晶型为方解石型碳酸钙。碳化反应加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)使CaCO3表面形成的正电荷增大至+37.7 mV并高于标准值30 mV,表明制备的CaCO3产品具有良好的分散性且稳定。通过FT-IR和Zeta电位对CTAB改性前后CaCO3纳米粒子进行表征,探讨了CTAB对合成纳米CaCO3分散性的影响机理,为纳米碳酸钙制备提供了一种新的方法。
环境与能源
变温吸附碳捕集系统能效性能对标分析
陈丽锦 邓帅 王珺瑶 赵睿恺 赵力 李双俊 郭志昊
过程工程学报. 2021, 21(10): 1225-1235. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220264
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计量指标
准确且合理的能耗分析对碳捕集技术规模化发展至关重要,其既是碳捕集技术节能降耗的必要前期准备,也是碳捕集过程开展绿色化、清洁化性能评价的重要数据基础。因此,在对碳捕集过程的能源转换共性展开探索的同时,迫切需要面向工程实践的需求,形成易于操作的能效性能对标分析方法,从而保证对类型技术的性能认知可以在合理且统一的评价平台上进行归纳与比较。本工作基于对标分析(Benchmarking Analysis)方法,对变温吸附碳捕集(TSA)过程的能耗分析方法进行了阐述,包括流程、参数、模型等。研究了吸附温度和解吸温度对TSA能效性能结果的影响,演示并量化了该方法的可行性,重点对边界变化对评价结果的影响进行了讨论。提出的对标分析方法对碳捕集技术的能效性能对标评估给出了较具体的指导。
基于滤板调控风量的电池组风冷性能分析与优化
储广昕 尉孟涛
过程工程学报. 2021, 21(10): 1236-1244. DOI:
10.12034/j.issn.1009-606X.220283
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计量指标
首先通过搭建测试平台,对18650锂离子电池单体容量、内阻和温升进行实验测试;再对比单体温升仿真与实验结果的一致性;最后建立了动力锂离子电池组模型,通过单因素分析和正交实验,研究过滤板自由面积比、电池间距、风速和电池距离底部间距对电池组最高温度和温差的影响。电池以1 C放电时得出结论:添加过滤板提升了电池组温度场一致性,过滤板自由面积比为0.1, 0.9, 0.9时电池组温差最小。最终通过正交实验得到最佳组合为风速6 m/s、电池间距4 mm、电池距离底部间距4 mm,比优化前最高温度下降了22.5%,温差下降了74.8%。