过程工程学报

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过程工程学报. 2022, 22(7): 0.

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泡沫分离设备的研究进展

韩娟方思含黄文睿吴嘉聪李媛媛王蕾毛艳丽王赟

过程工程学报. 2022, 22(7): 839-852. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221208

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作为一种新型分离技术，泡沫分离技术具有设备简单、能耗低、易于操作、低浓度条件下效率高和无污染等优点，该技术在降低表面活性物质分离成本方面具有极大的潜力，在工业上得到了广泛的应用。本工作分析了近年来文献报道中应用于分离回收蛋白质、有机污染物、天然产物、金属离子、微藻等的各种泡沫分离设备，并结合泡沫分离技术的发展历程将其分为传统泡沫分离设备和改进泡沫分离设备。重点阐述了改进泡沫分离设备的作用机理和分离效果，突显泡沫分离技术的重要性。改进型泡沫分离设备在一定程度上提高了分离效果，但依然存在一些问题，如很多设备在提高富集比的同时也降低了回收率。

大肠杆菌FMME-N-26生产琥珀酸的发酵条件优化和放大

刘佳唐文秀王学明郭亮陈修来高聪刘立明

过程工程学报. 2022, 22(7): 853-862. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221265

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琥珀酸(Succinic acid)被认为是白色生物技术生产的最具潜力的大宗化学品之一，在工业上具有广泛的应用。微生物发酵生产琥珀酸具有环境友好和可持续发展等优点，展现出良好的发展前景，但是存在得率低、副产物积累、生产强度低等问题。为了实现琥珀酸的高效生产，在3.6 L发酵罐中对E. coli FMME-N-26生产琥珀酸发酵条件和补料策略进行了优化，建立了好氧-厌氧两阶段发酵工艺，最终确定发酵策略为：有氧发酵8 h后转为厌氧发酵，MgCO3为pH中和剂，发酵72 h补加抗渗透压保护剂2 mmol/L甜菜碱，厌氧阶段控制葡萄糖浓度为1~5 g/L。优化后发酵72 h，琥珀酸的产量和厌氧阶段得率分别达到119.2 g/L和1.08 g/g葡萄糖(理论得率97%)，分别比优化前提高了46.4%和4.8%，副产物乙酸和乳酸仅积累2.37和0.94 g/L，分别比优化前降低了37.1%和49.2%。在1000 L发酵罐中实现中试放大生产，E. coli FMME-N-26生产琥珀酸的产量、得率和生产强度在国内外属于领先水平，为琥珀酸工业化生产奠定了坚实的基础，同时也为其他高价值化学品的生产提供了借鉴。

低温烟气脱硝催化剂制备工艺及性能探究

徐家明皇甫林史玉婷郭洪范高士秋李长明余剑

过程工程学报. 2022, 22(7): 863-872. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221237

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为了满足低温脱硝催化剂工业化的需求，对以相同组成的氧化物粉末、工业偏钛酸、水热偏钛酸为前驱体制备的脱硝催化剂的催化性能进行了考察，并利用X射线衍射、N2吸附-脱附、热重分析、机械强度等手段对催化剂的表面结构及性质进行表征分析。结果表明，随焙烧温度升高，各催化剂的活性先升高后降低，催化剂以水热偏钛酸为原料制备的催化剂(催化剂C)更适宜于工业应用，其拥有较好的低温活性、抗压强度及成型率；经过550℃焙烧10 h后催化剂的纵向抗压强度为1.06 MPa，在250℃时NO转化率为97.79%。此外，对该催化剂进行脱硝活性评价及宏观动力学分析并考察了1~3 m/s气速下催化剂活性在不同烟气温度下的脱硝性能，结果表明，随气速增加催化剂的脱硝性能逐渐降低；根据Eley-Rideal机理，建立动力学方程，推算出该催化剂的反应速率常数k，并根据Arrhenius公式求得催化剂C的SCR脱硝反应活化能为32.15 kJ/mol，指前因子A为15.37×103 L/(g?min)，为实际工业烟气SCR脱硝系统设计提供参考。

掺氢天然气在家用燃烧器中的燃烧特性

冯帅明杜伟夏起陈晨高增梁

过程工程学报. 2022, 22(7): 873-881. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221284

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为了降低CO2排放，缓解天然气供应压力，促进氢能规模消纳，掺氢天然气被认为是最有前途的途径之一。目前，掺氢天然气的研究主要集中在工业上，本工作基于以掺氢天然气为燃料的家用大气式燃烧器的燃烧特性，利用Fluent软件结合GRI 2.11化学反应机理文件，建立燃烧器二维轴对称模型，对比数值模拟结果与实验结果，验证了数值模型的合理性；分析了燃料与空气不同预混量以及二次风流速对燃烧器的燃烧温度、主要自由基含量、燃烧污染物等的影响规律。结果表明，随着预混量(一次空气系数)增大，峰值温度大幅度升高，NO峰值质量分数先增大后降低，CO峰值质量分数逐渐增大；随着二次风流速(过量空气系数)增大，温度与污染物含量变化很小，与预混量的影响相比，二次风流速的影响几乎可以忽略不计。

四氢呋喃-甲醇-乙酸甲酯-水热集成双溶剂萃取精馏工艺

娄超李铭恽一万德浩杨德明

过程工程学报. 2022, 22(7): 882-890. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221316

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针对四氢呋喃-甲醇-乙酸甲酯-水四元物系中存在多个二元共沸物的特点，本工作提出了常规双溶剂萃取和热集成双溶剂萃取两种精馏工艺。基于WILSON方程计算得到热力学数据，并对萃取剂进行了筛选。结果表明，对于四氢呋喃-甲醇和乙酸甲酯-甲醇共沸物系，选用水作为萃取剂最为合适；而对于四氢呋喃-水和乙酸甲酯-水共沸物系，则选用乙二醇作为萃取剂最为合适，且总溶剂比为0.65，乙二醇和水的比例为1.3。在此基础上，以能耗和年总费用(TAC)作为精馏工艺的评价指标，对提出的常规双溶剂萃取和热集成双溶剂萃取精馏工艺进行了模拟，并利用夹点分析技术对双溶剂萃取精馏系统的换热网络进行了优化。研究结果表明，优化后的换热网络其冷公用工程消耗降低44.12%，热公用工程消耗节约42.49%。与常规双溶剂萃取精馏工艺相比，热集成双溶剂萃取精馏工艺其能耗降低约43.29%，节省TAC约26.89%，热力学效率提高了3.25%。可见，热集成双溶剂萃取精馏工艺用于分离以上四元共沸物系，具有较好的技术经济优势。

机械活化条件下超细铁矿粉一氧化碳还原特性及机理

魏汝飞孟东祥李家新龙红明朱玉龙李振营

过程工程学报. 2022, 22(7): 891-899. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221277

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采用热重法研究了不同机械活化程度的超细铁矿粉一氧化碳还原特性，并对其还原反应机理进行了分析和讨论。研究结果表明，机械活化有利于一氧化碳还原铁矿粉，机械活化时间越长，反应特征温度越低，活化480 min的铁矿粉的反应峰值温度比未活化的矿粉低217 K。机械活化时间越长，反应活化能越低，但反应机理未发生变化，界面反应一直是限制性环节，活化480 min后的铁矿粉的反应活化能比未活化时低31.23 kJ/mol。机械活化对于一氧化碳的还原铁矿粉的逐级反应进程有明显影响，对于未活化的铁矿粉而言，逐级反应层次不分明，而对于活化后铁矿粉的逐级反应层次分明，而且活化时间越长，层次越分明。

声场作用下含盐液滴冻结过程及组分迁移特性的研究

张琳邡丛健高蓬辉张东海

过程工程学报. 2022, 22(7): 900-908. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221231

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为了揭示超声波辅助冻结的内部作用机理，明确声场作用下相变冻结过程中的热质传递规律及组分迁移特性，根据声场理论分析了超声波的空化作用和热效应，并在冻结过程能质守恒的基础上建立了超声波作用下液滴相变冻结及盐分迁移数学模型，研究了超声波对液滴冻结过程中气泡状态和液滴温度的影响，分析了不同盐浓度下液滴冻结过程中固液界面、溶液比例、盐度及盐水残余率的变化规律。结果表明，超声波空化作用强化了界面处的热质传递，液滴温度下降较快，有利于液滴的冻结；液滴盐浓度越高，凝固界面的移动越慢，液滴直径为2 mm时，盐浓度5wt%时达到冻结点的时间为15 s，盐浓度8wt%时达到冻结点的时间为20 s；超声波作用下盐浓度越低，冻结过程中盐分迁移变化越剧烈。

低共熔溶剂萃取精馏分离苯/环己烯共沸物研究

王艳虹华超尹民陆平白芳李海

过程工程学报. 2022, 22(7): 909-916. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221142

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以四丁基溴化铵(TBAB)、氯化胆碱(ChCl)为氢键受体，乙二醇(EG)、乙酰丙酸(LA)为氢键供体合成的TBAB:EG (1:2), TBAB:LA (1:2), ChCl:LA (1:2)三种低共熔溶剂(DES)作为萃取剂，通过萃取精馏分离苯-环己烯共沸体系。实验测量了环己烯-苯-DES三元体系气液相平衡，并对DES组成中氢键供体和氢键受体对分离性能的影响进行探讨。结果表明，DES的分离性能由高到低依次为ChCl:LA (1:2)>TBAB:LA (1:2)>TBAB:EG (1:2)；采用NRTL模型关联环己烯-苯-DES三元体系的气液相平衡数据，拟合得到体系二元交互参数；在Aspen Plus V7中针对ChCl:LA (1:2)为溶剂的萃取精馏过程进行建模计算，并将其分离效果与传统溶剂N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)进行对比，以DES为溶剂的萃取精馏过程相比于DMAC，回流比由3.8降至0.30，流程整体热负荷减少了16.57%。

多效蒸发注射用水系统的热力过程优化

肖轶文吴淑英彭德其吴志民

过程工程学报. 2022, 22(7): 917-926. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221165

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针对生产注射用水多效蒸发过程中能耗大及产水不稳定的问题，进行了多效蒸发热力过程系统优化。依据质量守恒和能量守恒方程，建立了蒸发器、预热器和冷凝器数学模型，考虑蒸汽流动阻力损失，基于Matlab/Simulink多体工具箱，以等面积法为原则进行迭代求解。通过模拟计算分析效数、预热方式对系统热力性能的影响。结果表明，效数增加使得系统比传热面积、造水比增加以及比?耗减小，且后两者的变化幅度会逐渐降低。效数低于5时，使用产水预热的方案更优；效数高于5时，混合预热方案更优。混合预热方案下，系统效数较大时，蒸汽在管道内流动引起的温降和压降快速上升，最终导致造水比下降以及比?耗值趋于恒定。

电炉法制磷过程热力学及动力学分析

朱志伟唐远李智力何东升姚远

过程工程学报. 2022, 22(7): 927-934. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221241

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采用FactSage软件对电炉法制磷过程中的渣系相图进行计算，并对体系内相关组分的助熔效果进行了分析。考察了不同温度下P2O5的还原率差异，并对反应过程进行了热力学和动力学分析。结果表明，当酸度值Mk为0.75~0.85时，Al2O3含量对体系形成低共熔物及调节低共熔温度存在一定影响，且适当增大Al2O3含量对电炉法制磷过程更有利。单一添加MgO作助熔剂不能有效促进炉料熔融，且会使共熔温度升高，因此应考虑与其他助熔剂复配使用。磷矿熔融还原反应符合一级反应特征，体系的表观活化能为165.712 kJ/mol。

螺旋套管换热器壳程流体湍流换热热力性能数值研究

王翠华李光瑜苏方正龚斌吴剑华

过程工程学报. 2022, 22(7): 935-943. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221209

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利用计算流体力学软件对内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的湍流流动和换热性能进行了数值模拟。通过与内管为光管的研究结果对比，揭示了内管为螺纹管时壳程流体的速度场和温度场分布，研究了雷诺数、槽高对壳程流体湍流流动及换热性能的影响，并利用场协同原理初步揭示了螺纹复合螺旋流动强化流体换热的机理。结果表明，螺纹内管的螺纹凸起对螺旋套管换热器壳程流体的扰流和导流作用明显，在研究范围内(Re=10 000~24 000)，内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的传热效率较内管为光管的模型最大提高了22.1%；结构参数相同时，随着Re增大，螺旋套管换热器壳程流体的Nu逐渐增大，阻力系数f逐渐减小，综合评价因子Ψ逐渐减小，在研究范围内，Nu最大增加了85.6，f最大减少了0.008，Ψ从1.35减小至1.18。当Re一定时，当量高度h'增大，f逐渐增大，Nu先增大后减小。由场协同原理分析得出，h'=0.220时，在螺纹凸起扰流和导流的作用下壳程流体的温度场与速度场协同性能较好，综合评价因子Ψ最大，螺纹的优化当量高度h'宜取约0.220。

高温加压微型流化床内脉冲气射流扰动的数值模拟

张炜刘文津张玉明李家州岳君容

过程工程学报. 2022, 22(7): 944-953. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221234

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气固微型流化床反应分析仪由于其等温微分特性而被成功应用于反应动力学分析。目前该仪器多在常压条件下应用，在加压条件下的使用特性尚未明确。微型流化床为该仪器核心部件，通过计算流体力学方法深入研究其在高温加压条件下的脉冲进样行为有着重要意义，可揭示脉冲进样气对床层流化状态扰动的影响规律，进而为该仪器的高压使用与优化提供理论认识与指导。本工作基于双流体模型模拟床层流化，对加压条件下微型流化床的脉冲进样进行了三维数值模拟，并提出进样管结构改进方案。模拟结果表明，所建立的三维模型能够准确捕捉到微型流化床的压降，符合实验结果。温度与压力对脉冲进样气造成的床层扰动有着相反的影响规律，压力增大将引起脉冲进样气动能增加，进而导致对床层流化扰动加剧，而温度升高则会减弱对床层的扰动。通过对脉冲进样管进行轴向以及径向的扩张，可使扩张导致的气流速度减小效果强于无滑移壁面条件导致的气流速度增大效果，从而减小脉冲进样气末端速度，进而削弱其对床层的扰动。相比径向扩张，轴向扩张对扰动的削弱作用更为有效，因此脉冲进样管的改进应以轴向扩张为主。

废钢在气体搅拌容器中运动融化的水模型实验

杨荣旺陈超林尧铖赵宇赵健朱江俊杨士舜

过程工程学报. 2022, 22(7): 954-962. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221274

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由于经济原因，在炼钢过程如转炉和精炼钢包中，废钢的用量有所增加。废钢在上述反应器中的熔化机理仍然不明确。水模型研究可以直观地模拟废钢的运动和熔化过程。通过水模型实验，以冰球和饱和KCl溶液制成的盐球分别模拟轻、重废钢，研究其在类转炉及钢包中的运动过程和融化规律。结果表明，在本实验中，冷冻时长超过18 h后，冰样的融化时间受影响较小。冰球和盐球融化过程呈球形或椭球形，且其直径随时间呈线性减小。随着熔池温度的提高，冰样融化加快。不同的液面高度及吹气流量会形成不同特征的流场，使冰球与盐球呈现不同的运动规律。冰球的融化时间随液面高度增加而降低，盐球呈先大幅度降低再小幅度增加的趋势。在本研究的吹气流量下，液面高度和直径比为0.94时，盐球的融化时间同比最低。在液面高度较低时(高度与直径比为0.42~0.73)，在羽流区上方加入盐球会显著降低融化时间；液面高度较高时(高度与直径比为0.83~1.04)，加入位置对融化时间无显著影响。

同心圈式超重力旋转床液泛模型

姚文博张仲君刘承伟李育敏计建炳

过程工程学报. 2022, 22(7): 963-969. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221275

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同心圈式超重力旋转床是一种新型超重力旋转床。液泛是超重力旋转床流体力学的重要特征。同心圈式超重力旋转床液体分布器和转子内缘之间的环形空间内的液滴被气体夹带，液滴受到离心力和气体曳力的作用，通过建立微分方程可获得液滴径向速度为零时的液滴运动径向距离。当该径向距离小于环形空间的径向距离，此时产生雾沫夹带液泛。由此建立同心圈式超重力旋转床雾沫夹带液泛模型。实验以空气和水为物系，测定了转子直径为1000 mm、高度为100 mm的同心圈式超重力旋转床在不同转速和表观液速下气体进口和出口之间的气相压降随表观气速的变化。气相压降随表观气速的增大先缓慢增大后快速增大。用表观气速对气相压降求导和目测旋转床中心气体出口处出现大量液体被气体夹带来确定液泛点气速。通过液泛点气速求得雾沫夹带液泛模型的系数k，并对该系数k进行关联。该雾沫夹带液泛模型的计算值和实验值吻合很好，平均偏差为3.1%。该模型优于Sherwood液泛模型，对同心圈式超重力旋转床的工业应用提供了必要的设计依据。

基于PCA-SVDD的化工过程异常工况检测

林扬何亚东袁壮武传朋苟成冬李传坤

过程工程学报. 2022, 22(7): 970-978. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221399

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化工过程往往涉及易燃易爆、高温高压、有毒有害等物料或介质，异常工况检测对保证装置平稳运行具有重要意义。随着装置可靠性和自动化水平的不断提高，异常数据变得匮乏，给异常工况检测提出新的挑战。针对上述问题，本工作融合主成分分析(Principle Component Analysis, PCA)和支持向量数据描述(Support Vector Data Description, SVDD)两种方法，提出一种基于PCA-SVDD的化工过程异常工况检测方法。通过PCA将正常数据分解为主元子空间和残差子空间，然后将主元子空间作为目标类型数据，引入高斯核函数建立SVDD异常检测模型，最后采用田纳西-伊斯曼(Tennessee-Eastman, TE)过程数据对方法进行验证，并与传统PCA和SVDD的异常检测结果进行对比。结果表明，本工作所提方法具有更优的检测效果，可实现化工过程异常工况的早期预警，对保证装置的平稳运行具有一定意义。

Brij30/β-FeOOH/GO复合材料的可控构筑及其对盐酸四环素吸附性能

陶润萍董伟强胡庆松朱靖王智鑫徐轶群

过程工程学报. 2022, 22(7): 979-988. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221259

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抗生素滥用已经成为全世界面临的公共卫生问题，去除环境中残留的抗生素刻不容缓。采用聚氧乙烯月桂醚(Brij30)对β-FeOOH进行表面改性，辅助水热法制备Brij30/β-FeOOH/GO复合材料。通过X-射线粉末衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱仪(XPS)、红外光谱仪(FT-IR)和Zeta电位对其组成及微观结构表征。考察了吸附剂投加量、溶液的pH值和共存离子对盐酸四环素(TCH)吸附性能的影响，研究了吸附机理。结果表明，在优化反应条件(Brij30/β-FeOOH/GO投加量0.01 g、溶液pH=5、吸附10 h、TCH初始浓度40 mg/L)下，吸附量达65.97 mg/g，吸附行为符合伪二级动力学方程和Freundlich吸附等温线模型，属于化学吸附并存的多分子层吸附。存在的吸附机理为π-π键堆积、氢键结合、螯合作用和电荷转移。

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