过程工程学报

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过程工程学报. 2022, 22(5): 0.

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扭曲椭圆管强化传热研究进展及应用

李修真谈莹莹袁俊飞王占伟王林

过程工程学报. 2022, 22(5): 561-572. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221153 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221153

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扭曲椭圆管因结构简单、强化传热及阻垢性能优异，近年来成为被动强化传热领域研究热点之一。虽已有文献对扭曲椭圆管换热器技术进行了综述，但对扭曲椭圆管强化传热特性的归纳和工程应用研究脉络的梳理存在不足，本工作着眼于扭曲椭圆管内外传热及流阻性能研究、扭曲椭圆管换热器研发和工程应用两方面内容，概括了扭曲椭圆管(束)结构、工质、流动状态对传热性能及流阻特性的影响规律；回顾了扭曲椭圆管换热器工程应用案例，总结了有关扭曲椭圆管研究尚待完善之处，并对扭曲椭圆管强化传热研究的发展趋势进行展望，为深化扭曲椭圆管理论研究和工程实践提供指导和参考。

低温甲醇水重整制氢催化剂研究进展

申展江志东张鹏飞张子瑜车海英马紫峰

过程工程学报. 2022, 22(5): 573-585. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221147 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221147

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甲醇具有结构简单、含氢量高、产能大等优点，利用甲醇与水蒸气进行重整是一种节能高效的现场制氢方式。甲醇水蒸气重整(MSR)与燃料电池联用能够实现多场景应用，但由于反应温度较高(250~300℃)，存在启动速度较慢、副产CO含量较高和热效率较低等问题。低温甲醇水重整(LT-Methanol Water Reforming, LT-MWR)包括低温甲醇水蒸气重整(LT-MSR)与液相甲醇水重整(Aqueous-phase Reforming of Methanol, APRM)，反应通常在200℃以下进行，同时保持较高的反应活性，进而能够减少预热时间、减弱副反应发生，且能与燃料电池实现更强的热耦合。本工作首先介绍了商用催化剂优异的性能与存在的缺陷，然后对低温甲醇水重整制氢催化剂，诸如Cu基催化剂、贵金属催化剂与光协同催化剂的研究进展进行了回顾。归纳了低温铜基催化剂的改性策略，包括合成方法、结构设计与元素掺杂。对国内外商用CuZnAlOx催化剂结构与性能的测试表明，其转化率高和稳定性好，存在的缺陷是价格较贵且在低温区催化活性急剧下降。Cu基催化剂活性受温度影响较大，在低温区活性很低，但通过适当的改性能够实现其应用价值，其改性策略包括合成方法、结构设计与元素掺杂。贵金属催化剂低温下活性较高，但存在价格昂贵、合成复杂等缺点。光协同催化剂则是在光照条件下进行催化重整，尚处于研究阶段。对于Cu基催化剂，合成方法的改进能够大大改善催化剂的微观混合程度与可重现性。适当的结构设计可提升催化剂的比表面积与热稳定性。元素掺杂则能够提升活性组分的分散度，修饰催化剂表面结构。三种改性策略能够有效提升Cu基催化剂低温下甲醇重整制氢的性能，在保持较高活性的同时，降低CO副产物的含量。展望了低温甲醇水重整制氢催化剂的发展前景和挑战，对催化剂的开发与应用有指导意义。

催化臭氧氧化降解水中有机污染物的研究进展

王书欢周理龙李正杰韩继龙刘润静 Jimmy Yun

过程工程学报. 2022, 22(5): 586-600. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221094 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221094

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水污染是当前工业发展中亟待解决的问题之一，催化臭氧氧化降解有机污染物工艺具有绿色、高效和工艺简单的优点而被广泛应用，而其中的关键在于催化剂的选用。本研究对均相催化臭氧氧化和非均相催化臭氧氧化过程的机理进行了分析和总结，着重讨论了非均相催化臭氧氧化过程常采用的贵金属催化剂、过渡金属催化剂、碱土金属催化剂和非金属催化剂对臭氧氧化降解有机污染物的促进作用，对提高这些催化剂催化活性的方法进行了综述，总结了pH值、臭氧浓度、催化剂剂量和有机污染物浓度对催化臭氧氧化降解有机物过程的影响。指出目前催化臭氧氧化降解有机污染物过程面临的主要问题是活性组分的流失导致催化剂催化活性下降。在今后的研究中，开发和制备新型、高效、绿色、稳定的催化剂以及探究最佳工艺条件仍是研究的重点。可以通过提高催化剂的吸附能力以改善臭氧在水溶液中的传质，促进臭氧分子的分解，还可以通过不同活性组分的协同偶联有效抑制活性组分的流失，提高催化剂催化活性的同时提高催化剂的稳定性，以达到高效降解有机化合物的目的。

孔分布对多孔孔板流场和噪声的影响

李倩吉华冯东林张子扬段宗幸

过程工程学报. 2022, 22(5): 601-611. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221131 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221131

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目前多孔孔板普遍采用均匀布孔结构，广泛用于管路限流降压以及减振降噪，为了进一步提高流动稳定性以及降低流噪声，在保持等效开孔直径不变的前提下，设计了具有不同孔间距、孔数和孔径的非均匀孔分布多孔孔板模型。基于数值计算结果，详细比较了含不同孔板模型管路流场中的速度、压力、回流特性、射流会聚和流动发展等流动特征。采用声学模型计算了孔板的噪声，在中心线以及垂直于流动方向的截面上设置监测点，对比了其频谱特性和总声压级。结果表明，与均匀多孔分布的常规孔板相比，孔间距等差递减、孔板边缘的孔数增多、以及孔径在满足不减少孔数的条件下增大，均能在不影响降压能力的情况下提高流动稳定性和降低板后噪声，且其噪声值分别最大改善了5.62, 6.10和7.00 dB。

矩形截面高宽比对射流强化螺旋通道传热性能的影响

李雅侠许鹏宇韩泽民李运杭崔峰源张静

过程工程学报. 2022, 22(5): 612-621. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221123 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221123

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为了进一步探究具有不同截面高宽比的单一螺旋通道内流体湍流流动与换热特性以及射流对矩形截面螺旋通道的强化传热效果，采用计算流体动力学软件模拟研究了高宽比γ分别为0.625, 1.1, 1.6和2.5时，单一矩形螺旋通道及射流作用下螺旋通道内的湍流流场、二次流场及强化换热特性。结果表明，对于单一矩形螺旋通道，相同横截面积和流量时，仅当γ≥1.6的通道在高雷诺数下二次流会出现四涡结构，其余为两涡结构。对于单一螺旋通道，γ值越大流动阻力越小，同时换热性能越差。加入射流后，矩形截面四个壁面的换热能力均有提高，γ值越大射流的强化传热效果越显著，研究范围内局部壁面换热努塞尔数的平均值(Nulocal)m最高可为单一螺旋通道的2.51倍。考虑流量增加的影响，射流影响下的螺旋通道区域内综合强化传热因子PEC2在1.05~1.21之间。

幂律流体在Kenics型静态混合器中流动特性分析

张静黄思旭蒋灿吴剑华龚斌

过程工程学报. 2022, 22(5): 622-630. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221164 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221164

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为了探究Kenics型静态混合器内扭旋叶片剪切作用对幂律流体流动的影响，利用旋转流变仪测量了浓度为0.5wt%, 0.7wt%, 0.9wt%的羧甲基纤维素(CMC)水溶液的流变参数，采用数值模拟与实验研究了扭旋叶片作用下幂律流体流动阻力和剪切稀化特性。对流场研究表明，扭旋叶片诱导产生了内流涡旋、绕流涡旋和近壁面涡旋，有效强化了静态混合器内流体流动的剪切作用。受多个纵向涡旋分布的影响，扭旋叶片局域流场中周向45°位置速度最高，周向30°位置涡量与剪切应力最高而黏度最低。径向0.4倍半径位置速度最高，0.7倍半径位置黏度最高。静态混合器有效提高了流体的二次流流动速度和剪切应力，降低了幂律流体的黏度和流动阻力系数。

颗粒床-旋流耦合分离器不同操作模式下的性能分析

常明付金壮李永祺范怡平卢春喜

过程工程学报. 2022, 22(5): 631-639. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221166 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221166

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通过实验分别考察了满床/空床操作模式对内置颗粒床-旋流耦合分离器分离性能的影响，获得了两种操作模式下的设备压降和捕集效率。通过改变入口粉尘浓度、入口气速和粉尘颗粒种类，发现满床操作条件下的分离效率比空床操作条件下的分离效率高，且前者压降较低。通过对出口粉尘粒径的分析，含有捕集颗粒的内置颗粒床可有效提高5 μm以下的粉尘颗粒的捕集效率，弥补了离心分离的短板。引入性能指数对不同操作模式进行定量分析，验证了满床操作条件下的耦合分离设备具有更好的综合分离性能。

黏结煤与不黏煤共热解特性研究

李福俊刘周恩高士秋金鑫谢以民何志鹏

过程工程学报. 2022, 22(5): 640-650. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221084 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221084

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为了利用内构件反应器热解技术实现黏结性煤的高值化利用，采用TG-MS和固定床反应器研究了黏结的山西兴县煤(简称XX煤)与不黏的先锋褐煤(简称XF煤)共热解时的破黏和热解特性。TG-MS实验结果表明，XX煤与XF煤配制的混合煤比XX煤黏性小，且XF煤促进了XX煤热解，混合煤热解行为是两种煤共同作用的结果。固定床热解实验表明，煤粒径越小，降黏越显著；XX煤和XF煤的比例(XX:XF)越小，降黏越显著，XX:XF小于5:5时，可消除结焦团块；XX:XF越小，半焦产率越低，焦油和煤气产率越高；随XX:XF减小，焦油中<170℃和230~300℃的馏分含量先升后降，XX:XF=6:4~3:7时最高，170~210℃、210~230℃和300~360℃的馏分逐渐增加，>360℃的馏分含量不断降低；随XX:XF的减小，H2含量先升高后降低，在XX:XF=3:7时最高；CO含量呈略微升高趋势；CO2含量先逐步升高，在XX:XF=6:4达到最高，然后从XX:XF=5:5开始降低，在XX:XF=3:7达到最低，然后又开始升高；CH4及C2~C3组分含量呈下降趋势，而H2+CO+CH4 (煤气中有效组分之和)的含量先下降再升高接着再降低，在XX:XF=6:4时最低，XX:XF=3:7时最高。XX:XF越小，虽半焦的C/N和C/H不断减少，但C元素含量增幅和N, H元素含量减幅增大；比表面积越大，内孔结构越多越大，起燃温度越低，燃烧越彻底。

改性电炉钛渣矿相解构法制备富钛料新工艺研究

周育生邱冠周景建发郑富强王帅陈凤郭宇峰

过程工程学报. 2022, 22(5): 651-659. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221137 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221137

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以氧化后的钛精矿电炉冶炼渣为研究对象，采用一段氟化氢铵浸出-二段盐酸浸出的新工艺制备可用于沸腾氯化生产的富钛料原料，从浸出反应热力学和改性钛渣浸出行为两方面进行了系统的研究。氟化氢铵浸出热力学研究表明，氟化氢铵浸出可分解硅酸盐和部分黑钛石，并形成CaMg2Al2F12, CaF2和AlF3沉淀，浸出后杂质元素硅主要以(NH4)2SiF6的形式进入到浸出液中。氟化氢铵浸出实验表明，在氟化氢铵浓度为15wt%、液固比为10:1、温度20℃、浸出时间2 h的条件下，Si, Al, Ti, Fe, Ca和Mg元素的浸出率分别为93.55wt%, 28.03wt%, 3.88wt%, 20.50wt%, 3.40wt%和2.45wt%。浸出渣中主要的物相为金红石、黑钛石和钙镁氟化盐。氟化浸出残渣的盐酸浸出热力学表明，CaMg2Al2F12, CaF2, AlF3沉淀和剩余的黑钛石可溶解于盐酸溶液中。盐酸浸出实验表明，在盐酸浓度为20wt%、液固比为8:1、温度120℃、浸出时间2 h的条件下，Ca, Al, Mg, Ti, Si和Fe的浸出率分别为86.78wt%, 62.33wt%, 92.31wt%, 18.08wt%, 40.23wt%和75.36wt%。盐酸浸出后浸出渣主要物相为金红石，TiO2品位95.20wt%、CaO含量为0.49wt%、MgO含量为0.48wt%，满足沸腾氯化法对原料成分的要求。

基于分子动力学模拟的羟基改性调控活性炭对甲苯吸附性能的作用机理研究

肖邦曹青马培勇毕海林李鹏程

过程工程学报. 2022, 22(5): 660-670. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221125 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221125

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本工作通过在六苯并苯分子边缘植入羟基构建不同羟基含量的改性活性炭，采用分子动力学和巨正则蒙特卡罗模拟研究了改性活性炭模型的物理性质、局部电荷和孔径分布，进一步分析了甲苯分子在改性活性炭中的动力学特性和吸附机理。结果表明，引入羟基可加强活性炭对甲苯的吸附能力。在较高相对压强下，羟基含量为39.4%是活性炭改性的最佳浓度，超过此浓度后甲苯的吸附量下降。改性活性炭羟基中强电负性的氧原子与甲苯甲基中的氢原子配合成Lewis酸碱对，形成稳定的吸附结构，进而增强活性炭对甲苯的吸附能力。在较低相对压强下，影响吸附量的主要因素为孔隙率和孔径大小；羟基含量为20.8%和31.4%的改性活性炭内多为微孔且结构较为紧密，使得其吸附甲苯效果较好。羟基改性使得甲苯分子在活性炭内的自扩散系数降低，且在含39.4%羟基的活性炭中扩散系数最低，这是由于甲苯分子与改性活性炭之间的非键相互作用阻碍了甲苯分子的运动。此外通过变温吸附研究发现，由于活性炭吸附甲苯过程具有放热性质，温度升高不利于甲苯的吸附。

水相中合成木质素环氧树脂及其在木材胶黏剂中的应用

王勇殷亚庆李青云唐爱星赵磊刘幽燕

过程工程学报. 2022, 22(5): 671-679. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221198 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221198

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以木质素为原料，在水相中合成一种适用于木材胶黏剂的木质素环氧树脂。为了考察木质素环氧化反应条件对木质素环氧树脂的羟基和环氧基的影响，以及对胶合板的胶合强度的影响，采用FT-IR和31PNMR对木质素环氧树脂结构进行表征，并用TG和DTG对木质素环氧树脂的热稳定性进行分析。结果表明，环氧化反应主要发生在酚羟基上，在反应过程中，相比环氧氯丙烷，NaOH的加入量对木质素环氧树脂结构和胶合板的胶合强度影响更大。随NaOH加入量增加，木质素环氧树脂中环氧基团逐渐增多，胶合板的胶合强度呈现先升高、后降低的趋势。当木质素的羟基与NaOH摩尔比为1:1时，由木质素环氧树脂制得的胶合板胶合强度达到最大，湿强度达1.61 MPa，超过国家标准II类板的要求(≥0.7 MPa)。采用扫描电镜研究了黏接机理，发现环氧化程度提高时，固化后的木质素环氧树脂的结构更加稳定且致密，导致胶合板的胶合强度也提高。但过高的环氧化程度会增大胶黏剂的粒径，导致胶黏剂与木板不能形成更好的机械互锁结构，从而降低胶合板的胶合强度。还进一步简化了木质素环氧树脂木材胶黏剂的合成工艺，使环氧化反应后的体系无需处理即可直接应用于木材胶黏剂，减少了胶合板生产工艺流程。此外，经过30天的储存期，胶黏剂黏合强度没有明显下降。通过与商业脲醛树脂木材胶黏剂对比，其黏接强度可以达到商业脲醛树脂的水平。

基于非等温法的废弃环氧树脂电路板热解动力学分析

丁桂珍郑刘根吴盾迟文飞

过程工程学报. 2022, 22(5): 680-688. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221119 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221119

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热解技术在处理废弃电路板，回收电路板中的金属，实现树脂、玻璃纤维等非金属成分的资源化方面发挥愈来愈重要的作用，但目前对于不含任何电子元件、含少量铜箔的废弃环氧树脂电路板的热解机理研究尚不明确。为阐述其热解催化作用，采用同步热分析仪和气相色谱-质谱联用(GC-MS)仪对不同升温速率(5, 10, 15, 20℃/min)下电路板的热解特性及热解机理进行分析。结果表明，废弃电路板热解过程主要分为四个阶段：表面残余水蒸发或其他小分子散逸、环氧树脂侧链基团氧化、四溴双酚A的分解和热解残留物分解；运用Kissinger法、Flynn-Wall-Ozawa法及Friedman法等明确单一反应的热解区间并求解热分解反应动力学参数，最终得到指前因子1.14×1022 min-1和活化能218.533 kJ/mol；采用?atava-?esták法和主曲线法进行机理函数对比分析，最终表明废弃环氧树脂电路板适用随机成核与增长模型：Avrami-Erofeev方程模化。研究结果可为促进热解技术的应用提供理论支撑。

MOCVD生产废料中镓、铟提取工艺及其动力学研究

饶富郑晓洪张西华陶天一曹宏斌吕伟光孙峙

过程工程学报. 2022, 22(5): 689-698. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221085 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221085

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近年来，LED以其节能及环境友好等特性被广泛运用于各类照明领域。作为LED产品关键部件，采用金属有机气相沉积(MOCVD)生产外延片过程产生大量的生产废料。随着LED行业的快速发展，绿色、清洁回收MOCVD生产废料备受关注。本研究以硫酸为浸出剂，重点研究了MOCVD生产废料中Ga和In元素的浸出行为和浸出动力学。通过对浸出试剂种类、H2SO4浓度、固液比、浸出温度和浸出时间等参数的过程优化，在H2SO4浓度3 mol/L、固液比50 g/L、温度80℃、反应2 h的最佳工艺条件下，Ga和In的浸出率仅为67.50%和91.46%。动力学研究表明，在293.15~333.15 K温度范围内，Ga和In的浸出动力学符合收缩核模型，浸出过程受表面化学反应和外扩散混合控制。同时，XRD和SEM-EDS结果也印证了符合收缩核模型。在293.15~333.15 K温度范围内，Ga和In的浸出活化能分别为25.7和21.7 kJ/mol。基于对Ga和In浸出行为的动力学分析，提出并验证了MOCVD生产废料强化焙烧-浸出工艺的可行性。研究结果表明，强化焙烧-酸浸工艺可以使Ga和In的浸出率分别由67.50%和91.46%提升至88.27%和98.32%，并得到了氧化镓副产品。本研究结果有望为MOCVD生产废料的工业化资源循环提供基础数据支撑和新路径选择。

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