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2022年 第22卷 第8期    刊出日期：2022-08-28

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过程工程学报. 2022, 22(8):  0. 

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综述

吸附法脱除废水中四环素的研究进展

兰雄 刘钦 周新涛 罗中秋 赵晓腾 陆艳

过程工程学报. 2022, 22(8):  989-1000.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221261 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221261

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四环素(TC)是目前生产和使用量比较大的一种广谱抗生素，其化学性质较稳定且难以代谢而容易富集于土壤和水体中。抗生素的滥用不仅使细菌耐药性增加，而且会产生抗性基因并诱导产生超级细菌，因此对含TC废水的无害化处理刻不容缓。吸附法具有易操作、去除率高、经济、环保等优点，被广泛认为是一种高效去除抗生素方法。吸附法去除废水中四环素所用的吸附材料类型不同、种类繁多，本工作总结了炭质材料、金属有机框架材料和矿物材料这三类常用吸附剂，列举了上述材料对TC的吸附容量，分析了pH值、温度、离子强度和其他因素对TC吸附过程的影响。在此基础上，分析这三类材料吸附TC时不同吸附动力学和热力学模型的拟合情况，发现大多数材料的吸附动力学采用准二级动力学模型而吸附热力学采用Freundlich热力学模型能更好地描述其吸附过程。阐述了去除TC过程中所涉及的机理。对这三类材料吸附TC研究中存在的优势与不足进行比较，展望了今后的研究重点，为加快制备更经济、高效、可再生的TC吸附材料提供参考。

废旧塑料摩擦荷电机理及摩擦电选技术研究进展

师吉兰 徐勇强 王海锋 何亚群

过程工程学报. 2022, 22(8):  1001-1010.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221214 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221214

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塑料由于材质轻、化学性质稳定、成本低、耐磨性及耐腐蚀性好等优点被广泛应用于工程建设、食品安全、交通运输以及医疗等领域，如果处理不当会对环境造成严重的污染，废塑料污染防治已成为全球关注的环境问题。目前处理废旧塑料的常用方法有风选法、浮选法、静电分离法和光选法等，摩擦电选作为一种新型干式分选方法越来越受到研究者们的重视，其具有工艺简单、污染小、投资少、成本低等优点。本工作针对废旧塑料的分选回收利用，详细介绍了摩擦电选的荷电机理、影响因素、荷电装置和分选设备的研究现状，指出了目前通过摩擦电选回收废旧塑料的技术问题，并对摩擦电选技术未来的发展趋势和应用进行了展望。

含有偶氮苯结构单元的离子液体在智能材料中的应用与研究进展

马肃 戴毅

过程工程学报. 2022, 22(8):  1011-1018.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221290 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221290

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刺激响应性材料作为新型智能材料，在日常生活和工业生产方面有着重要应用，但能耗高、难以精准控制及循环可逆性差限制了其使用范围。偶氮苯基团是一种合成相对简单、循环可逆性好、易于精准控制、相对节能的光敏性官能团。离子液体是一类蒸汽压低、热稳定性好、可设计、对环境污染程度较低的新型液体材料。因此含有偶氮苯基团的离子液体是一类既具有光响应性，又具有离子液体特性的新型功能材料，凭借其在紫外/可见光(UV/Vis)照射下发生光致异构化，从而引起物化性质和材料性能发生可控变化，成为目前研究的热门。本工作综述了近年来含有偶氮苯基团的离子液体在光控智能材料中的应用，对含有偶氮苯结构单元的离子液体在光控电导率、光控自组装、光控相行为、光控CO2的捕获与释放和光响应可控离子凝胶黏弹性等领域的研究进展进行了详细介绍，并对其未来的发展方向进行了展望。含有偶氮苯结构单元的离子液体具有独特的优势，在可持续发展的大背景下能够为智能材料、绿色化学的发展提供新的思路。

研究论文

非平整基底上活性剂驱动的液滴铺展稳定性研究

李春曦 苏浩哲 童嘉铭 叶学民

过程工程学报. 2022, 22(8):  1019-1029.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221311 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221311

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当含有表面活性剂的液滴放置在液膜上时，受表面张力梯度的驱动，液滴会自发向外铺展。在铺展过程中，初始微小扰动会在非线性作用的影响下产生以指进现象为特征的不稳定现象，并与基底几何特征密切相关。基于润滑理论推导的液膜厚度和活性剂浓度演化方程，采用FreeFEM++语言编写数值模拟程序，应用微软MS-MPI运行库进行并行化处理，模拟了非平整基底对含活性剂液滴铺展过程中指进现象的影响，使用功率谱方法分析了不同波数对应的扰动能量增长规律，探究了Marangoni效应、毛细效应与扰动能量间的变化关系，揭露了非平整基底对不稳定性的影响机理。结果表明，非平整基底对手指形貌影响不大，但对手指下游影响明显；不同波数对应的扰动能量存在不同的演化特征，优势波数为20和7；最大扰动能量出现在初始条件设置扰动处，与平整基底相对比，凹槽基底可抑制扰动发展，总扰动能量约为平整基底的80%；波纹基底可促进扰动发展，总扰动能量约为平整基底的105%，且波纹基底在初期对特定波数的扰动有明显的促进作用。总体地，非平整基底通过改变活性剂浓度分布影响扰动能量，进而影响指进现象。

周向多入口凹壁面切向射流流动特性分析

张静 王胜昌 田志国 吴剑华 龚斌

过程工程学报. 2022, 22(8):  1030-1039.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221291 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221291

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为了探究三维凹壁面切向射流周向入口数量对流场的影响，选取Realizable k-ε模型，并使用非平衡壁面函数处理近壁面湍流流动，数值模拟了周向多入口流场的流动特性。流场研究表明，随着入口数量增加，前入口对后入口流动参数的叠加先增强后降低，在入口后周向角度30°~40°，射流区域叠加最强，射流外侧靠近入口处的影响最大。多股射流流场叠加使立式圆筒体内部的流动更加均匀，涡旋结构稳定在轴线附近。周向多入口凹壁面射流相较于单入口在切向速度、湍流动能、静压力最大值等参数上均产生叠加作用，其中三入口与单入口更接近，叠加作用最小。对总流量相同的不同入口结构设备内旋流流动研究表明，离心分离因数、湍流动能和静压力与入口速度相关性较大，叠加特性对旋流流动的增强作用不明显。可通过提高多入口射流速度提高离心分离因数及物料的处理量。

颗粒尺度下混合催化剂床层中CO₂加氢反应体系数值模拟

靳波 张亚新

过程工程学报. 2022, 22(8):  1040-1052.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221292 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221292

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CO2的有效转化对于实现“双碳”目标具有重要意义。柱形颗粒比异形颗粒具有更优良的热导性和更小的颗粒表面积，因此，为获得更优异的床层性能，采用离散元方法(DEM)对异形颗粒混合堆积床内的CO2加氢反应体系进行颗粒尺度CFD模拟计算，探究不同堆积方式对床层多物理场分布、CO2转化率及CH4产率的影响。结果表明，催化剂内部存在扩散阻力，随着反应进行，颗粒内物质由分层分布渐变为均匀分布。随机混合床与常规床相比，随机混合床稳态前热点不易波动、稳态产率更高，而柱形床径向热场更均匀且热点更高。在四种规则混合床中，底部为4孔的两种催化剂床相较于底部为柱形的两种催化剂床，整体流场更均匀、高速区少、压降大、高温区占比大、稳态前热点不易波动；2层-底4孔催化剂床的稳态出口CO2转化率和CH4产率均最大；4层-底4孔催化剂床高温区占比较高，随着反应进行，高温区占比呈上升趋势，CO2转化率和CH4产率大幅下降。

搅拌槽中酯化反应热失控的CFD模拟

陈毕清 管小平 杨宁 白丁荣

过程工程学报. 2022, 22(8):  1053-1060.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221317 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221317

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热失控是化工过程中常见的安全风险之一。在间歇釜式反应器中，桨叶的机械转动可以增强流体的循环流动、湍流强度、混合程度以及传热，进而有效防范热失控。防控效果与反应器结构和搅拌桨型密切相关。针对丙酸异丙酯酯化反应，采用计算流体力学模拟研究了桨型(Rushton桨、30o PBT桨及60o PBT桨)、转动方向和挡板对釜式反应器内温度演化的影响，从流动结构方面分析了原因。基于散度的失控判据比较了三种搅拌桨抑制热失控的能力，抑制能力为Rushton桨＞30° PBTD桨＞60° PBTD桨。本研究可为搅拌反应器热失控的优化设计提供一定的理论依据。

激波与亚毫米液滴相互作用的二维和三维数值模拟研究

施红辉 章易鑫 师顺 董若凌 彭双双

过程工程学报. 2022, 22(8):  1061-1073.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221240 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221240

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为了研究激波与亚毫米液滴相互作用过程，基于现有的实验结果，利用Fluent平台，采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型和k-ε 湍流模型，通过二维数值模拟分析了不同韦伯数(We)对亚毫米液滴变形演化过程的影响规律，通过三维数值模拟揭示了亚毫米液滴爆炸式破碎机理。结果表明，韦伯数对液滴变形有促进作用，韦伯数越大，液滴在压缩变形阶段所需要的时间越短；在气动力不变的条件下，相同液滴直径条件下，马赫数越大，液滴所受的气动力越大，液滴质心位移的无量纲加速度越大，低韦伯数下液滴的横向展开速率随韦伯数增大而减小，而高韦伯数下液滴的横向展开速率随韦伯数增大而增大。数值模拟结果与对比实验结果相近，有效阐明了韦伯数对亚毫米液滴变形的作用。

电渣重熔H13模具钢过程碳偏析的模拟研究

段怡如 李宝宽 黄雪驰 刘中秋 柴玉莹

过程工程学报. 2022, 22(8):  1074-1084.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221357 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221357

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宏观偏析现象普遍存在于电渣重熔钢锭中，严重影响钢锭的均质性和凝固质量。建立了电渣重熔H13模具钢的三维瞬态耦合模型，对碳偏析现象进行模拟研究，并考虑合金元素间的相互影响。采用各向异性多孔介质模型模拟糊状区的动量衰减，Lever算法计算溶质再分配行为。模拟结果表明，碳元素富集在熔池底部，且随钢锭凝固而增多。重熔钢锭底部和边缘呈负偏析，中心和上部呈正偏析。在其他初始元素一定时，硅初始质量分数由0.8wt%增大至1.2wt%，碳元素正偏析指数增大了8.57%；钼初始质量分数由1.1wt%增大至1.75wt%，碳元素正偏析指数下降了1.89%，并且增加硅、钼元素初始质量分数可以使碳元素分布变得更为均匀；工作电流由3700 A降低至3100 A，重熔钢锭碳含量正偏析指数由0.0856降到0.0837，下降2.22%。

基于巴西果效应的颗粒床振动再生研究

王建宏 莫晓燕 张会其 詹敏述

过程工程学报. 2022, 22(8):  1085-1093.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221384 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221384

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为了探索一种低成本的、环境友好的颗粒床含尘滤料再生方式，采用垂直振动后拍照的方法，研究了滤料/粉尘的平均粒径比、体积比以及振动频率、加速度、振幅等对基于巴西果效应的滤料/粉尘的垂直振动分离的影响。结果表明，矿渣/滑石粉、矿渣/粉煤灰的平均粒径比不低于75，石英砂/滑石粉、石英砂/粉煤灰的平均粒径比分别不低于65, 15.3时，能形成巴西果。在20~100 Hz的振动频率下，矿渣/粉尘的振动加速度和振幅超过临界值时，矿渣/粉尘将从混合态转变为巴西果态。矿渣/粉尘体系形成巴西果的最优振动频率是45 Hz，该频率不受矿渣粒径、粉尘种类和矿渣/粉尘体积比的影响。矿渣粒径越大、矿渣/滑石粉的体积比越大，矿渣/滑石粉分离越容易, 矿渣/滑石粉比矿渣/粉煤灰体系更易形成巴西果。在45 Hz的最优频率下，矿渣/滑石粉和矿渣/粉煤灰分别在1.01和1.36 mm的较低振幅下，可实现垂直振动分离。采用基于巴西果效应的垂直振动方式分离颗粒床中含尘滤料是可行的，该分离方式有利于滤料的重复利用和提高颗粒床捕集细小粉尘粒子的能力，是一种具有应用前景的颗粒床滤料再生方式。

方解石包覆-酸反应浮沉试验及机理

邓荣东 幸鼎权 周江慧 李世淇 赵睿祺

过程工程学报. 2022, 22(8):  1094-1102.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221225 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221225

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本工作系统研究了硫酸浓度、聚乙烯醇(PVA)种类及浓度、甲基异丁基甲醇(MIBC)浓度和十二烷基磺酸钠(SDS)浓度对PVA包裹的方解石颗粒与稀硫酸反应时方解石上浮情况的影响，并针对酸浓度、PVA浓度和MIBC浓度三因素开展正交试验。研究结果表明，包覆-酸反应方法可实现方解石颗粒的上浮。当方解石颗粒为1 mm时的最佳包覆-酸反应条件为PVA包覆剂型号为P139546，浓度为2.4wt%、硫酸浓度为2.0wt%、MIBC用量为40 mg/L，在此条件下方解石上浮率能达到84.9%；此外，PVA浓度与硫酸浓度是影响方解石包覆-酸反应浮沉的主要因素。

碳酸铈在NaCl-H₂O体系中的相平衡热力学模型

栾峰 王道广 王均凤 张建伟 崔朋蕾

过程工程学报. 2022, 22(8):  1103-1114.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221348 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221348

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碳酸铈是生产CeO2的重要前驱体，对其性质具有决定性影响。碳酸铈的结晶特征取决于反应结晶过程中过饱和度的控制，其在NaCl-H2O体系中的相平衡数据是关键基础数据。本工作首先在298.15~363.15 K温度范围内合成了碳酸铈，XRD分析结果显示，323.15 K及以下得到的产品为八水碳酸铈[Ce2(CO3)3?8H2O]，343.15 K及以上得到的产品为碱式碳酸铈[CeCO3OH]。本工作采用经典等温法测定了这两种碳酸铈化合物在NaCl-H2O体系中的相平衡数据，并利用Aspen Plus平台的ELEC-NRTL方程建立了可准确预测Ce2(CO3)3?8H2O和CeCO3OH在NaCl-H2O体系中相平衡数据的热力学模型。在无限稀释假设的基础上，通过回归Ce2(CO3)3?8H2O和CeCO3OH在水中的溶解度数据，确定了这两种化合物的溶度积。采用赋存形态分析方法，将CeCO3+, CeOH2+, CeHCO32+等组分引入热力学模型。利用实验数据获得了新的离子对(Ce3+-HCO3-和Ce3+-Cl-)参数，提高了新模型的预测能力，所建立的热力学模型预测值与实验数据吻合较好。

典型尺寸燃煤颗粒富氧燃烧特性及燃烧本征动力学研究

白浩隆 付亮亮 许光文 白丁荣

过程工程学报. 2022, 22(8):  1115-1123.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221256 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221256

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利用微型流化床加热速度快、温度分布均匀以及气体近平推流等优势，在直径20 mm自动控温的微型流化床反应分析仪中研究了粒度分布为1.7~3.35 mm和0.12~0.23 mm两种典型尺寸燃煤颗粒在790~900℃温度范围内的富氧燃烧行为。通过快速响应过程质谱对燃烧产生的烟气进行实时监测，成功地识别和记录了粗颗粒燃烧过程中经历的挥发分燃烧和原位新生半焦燃烧两个主要阶段。挥发分析出速度最快，然后快速燃烧，而半焦燃烧速度较慢。相比之下，细颗粒燃烧的这两个阶段具有几乎相同的速率，因而相互耦合而难以区分。根据实验结果，挥发分析出和燃烧为快速反应，煤颗粒燃烧过程速率受原位新生半焦燃烧过程控制。进一步研究了挥发分和原位新生半焦燃烧动力学行为，获得其本征动力学的活化能分别为107.2和143.9 kJ/mol。

闭式热泵膜蒸馏电镀废水系统的热力性能分析

彭有德 岳晨 于文博 葛浩 姚尚军

过程工程学报. 2022, 22(8):  1124-1136.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221322 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221322

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为了可以对电镀废水中的金属盐类和水实现高效的资源化回收，且相较于常规蒸发法处理废水更加节能，提出了闭式热泵膜蒸馏电镀废水系统。该系统将膜蒸馏技术与闭式热泵进行耦合，基于质量和能量守恒原理编写膜蒸馏自定义模型，在与实验数据进行对比验证后，通过Aspen Plus仿真平台建立流程来模拟工作情况。通过改变关键操作参数，得到以下结果：进料速度会引起系统功耗的大幅度增加而对于膜蒸馏的潜热的影响较小，因此进料速度对于系统造水比(GOR)影响最大。蒸发温度对于系统的能效比(COP)有着较大的影响，且COP随着蒸发温度的提升而上升，在不同蒸发温度下，系统GOR的下降趋势随进料温度升高先缓再陡。进料浓度对于系统产量比(YRO)有着重要作用，YRO随进料浓度上升而上升；当处在较低的蒸发温度下，不同浓度下的GOR在低进料温度时值较为接近。

一种生态工业园区碳-氢-氧共生网络的多目标优化与决策方法

邓洪川 陆文旭 罗小勇 吕沿霖 王琬

过程工程学报. 2022, 22(8):  1137-1146.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221249 　　CSTR: 32067.14.jproeng.221249

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针对生态工业园区中碳-氢-氧共生网络，基于多尺度原子标定方法，同时考虑经济和环境因素及回用副产碳氢氧化合物，本工作提出了一种多目标优化及决策的方法，从备选方案中获得最优方案。该方法采用数学规划法，分别以最小总年度成本和二氧化碳年度排放量为目标函数进行全局优化，建立了混合整数非线性规划模型；采用ε-约束法，将二氧化碳年度排放量转化为约束条件，得到了总年度成本与二氧化碳年度排放量帕累托前沿，发现总年度成本与二氧化碳排放量成反比；采用多维偏好分析的线性规划和逼近于理想解的排序决策方法对帕累托前沿进行最优决策，发现两者选择同一点作为最优决策。基于所提出的方法对某工业园区进行优化，结果表明，合理利用现有副产碳氢氧化合物，可以减少原材料成本，从而使总年度成本和二氧化碳年度排放量分别减少了63.44%和76.99%。