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2022年 第22卷 第11期    刊出日期：2022-11-28

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过程工程学报. 2022, 22(11):  0. 

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研究论文

中间包水模型数据的流出百分比分析方法

李雨倩 陈超 成国光 王天扬 李林博 耿梦姣 范晋平

过程工程学报. 2022, 22(11):  1447-1457.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221436

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针对已有停留时间分布曲线或F曲线分析方法在归一化过程中，将单流中间包流出百分比或多流中间包中各流流出百分比之和限定为100%，将示踪剂流出总量信息掩盖，导致结果不精确的问题，本工作提出了流出百分比的分析方法，通过计算可以将物理实验结果转化为各流实时的流出百分比曲线。以流出百分比曲线为基础，计算得到时间加权平均方差和剩余示踪剂百分比，并以此对单流、四流中间包水模型实验结果进行分析。结果表明，采用流出百分比方法能对实验结果进行校对，进一步验证实验的可重复性。同时可对比双挡墙和U型挡墙控制装置设置下，四流中间包监测时间终点流出百分比差异及两倍理论停留时间时刻的死区比例大小。并可直观对比多流中间包不同挡墙下各流的一致性，及在单流堵塞后示踪剂在其他各流的分配及一致性。

循环射流混合槽内湍流强化传热数值模拟及射流层优化

禹言芳 孔令敏 孟辉波 石博文 柳东洲 吴剑华

过程工程学报. 2022, 22(11):  1458-1467.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221345

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循环射流混合槽(CJT)作为一种过程强化设备可以提高湍流的混合效率及反应选择性。为进一步提高其工业应用价值，对循环射流混合槽流场的传热能力进行分析并对其射流层数进行结构优化。在恒壁温的条件下，采用SST k-ω模型分析循环射流混合槽流场区域的非稳态流动传热特性。在充分湍流状态下研究了Re=3260~16 303，射流层数M=5~9对循环射流混合槽壁面对流传热特性及流场传热特性的影响。结果表明，M=9时对流换热系数的变异系数Ch随Re增加而减少，壁面传热均匀性提高2.8%~19.3%；流场与温度场协同性随Re增加而增加，Re=16 303时的协同角为75.5o比Re=3260时减小约0.5°。Re=9782时Ch随M增加而降低，壁面传热均匀性提高2.7%~16.3%；速度矢量与温度梯度协同性随M增加而减小，M=9时全局协同性相较于M=5时降低了6.1%。当M=7时中心混合区与射流混合区的场协同角均在73°~74°之间，两区域流场间热量传递能力匹配程度较好；当M<7时中心混合区的协同性优于射流混合区，当M>7时射流混合区协同性优于中心混合区。研究Re及射流层数M对循环射流混合槽热量吸收和传递性能的影响，发现Re的变化对循环射流混合槽吸热量的影响大于射流层数M的变化。

双层撞击流混合器浓度时间序列的多重分形分析

张建伟 唐俊 董鑫 冯颖

过程工程学报. 2022, 22(11):  1468-1478.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221440

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利用平面激光诱导荧光技术(PLIF)对双层撞击流混合器的浓度场进行了实验测量，获得了不同径向位置处的浓度时间序列，通过多重分形去趋势波动方法(MF-DFA)研究了浓度时间序列中的多重分形特性，得到不同喷嘴间距和射流雷诺数下的多重分形谱，实现了流场特性的定量表征。结果表明，随着喷嘴间距增大，浓度时间序列的奇异性减弱，随着射流雷诺数增大，浓度时间序列的奇异性增强，喷嘴间距对浓度时间序列奇异性的影响比射流雷诺数更为显著。浓度信号的奇异性越强，流体粒子脉动越剧烈，混合效果越强，喷嘴间距对混合的促进作用大于射流雷诺数。通过分析多重分形谱参数(Δα, αmin, α0)随径向位置的变化规律得出了流型的转变区域，并将双层撞击流混合器由撞击中心处向下分为二次撞击区、涡旋区、一次撞击区。浓度信号的奇异性二次撞击区>一次撞击区>涡旋区，对混合的促进作用二次撞击区>一次撞击区>涡旋区。研究结果为更深入地揭示撞击流混合器内部流动模式和撞击流复杂无序的流动机理提供了理论依据。

微通道中钒的液-液流型和萃取传质动力学研究

骆晶 温嘉玮 兰春铭 张西华 宁朋歌

过程工程学报. 2022, 22(11):  1479-1489.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221320

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采用伯胺N1923萃取剂在微通道中研究V(V)的液-液流型和萃取传质动力学，以15vol% N1923作为连续相、钒氧酸根水溶液作为分散相，研究不同流速下两不混溶相的流型变化规律及两相停留时间和微通道管径作为流速的函数对传质的影响。随两相流速增大，段塞流长度和比界面面积基本不变，且两相流体由Raydrop微通道流入外接毛细管微通道时由于微通道的扩张会改变两相流动方式，使同一实验条件下在微通道中同时出现多种流型，与此同时两相流速和总体积传质系数(kLa)呈正相关，表明流型在本研究体系中对传质的影响可忽略。在相同管径通道内，停留时间与总体积传质系数呈负相关，表明在两相接触通道入口处发生了显著传质。在相同的两相混合速度和相比下，254 μm的管径传质效果是750 μm的9倍，表明小管径内传质效果更加，循环强度更大。最后将实验总体积传质系数结果与总体积传质系数的经验式进行了关联，有望为实现将微通道放大的绿色冶金技术提供理论基础。

低雷诺数下气固两相中浓稀相界面对微尺度曳力的影响及建模

马腾 陈啸 周强

过程工程学报. 2022, 22(11):  1490-1503.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222019

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采用具有二阶精度的浸没边界-格子玻尔兹曼法对低雷诺数下流体流经不同颗粒聚团结构的过程进行了解析到颗粒表面的直接数值模拟(PR-DNS)。结果显示在颗粒聚团表面的浓稀相界面处，传统的微观均匀BVK曳力模型[AIChE Journal, 2007, 53(2): 489-501]的预测结果与PR-DNS结果有明显的差别；同时文献中所构建的考虑界面影响的微观曳力模型(Int. J. Multiphase Flow, 2020, 128: 103266)也无法准确预测稀相固含率不为0的情况。因此，本工作提出了一种将界面附近网格分解求取曳力的方法。通过与不同颗粒聚团结构的PR-DNS结果及其他曳力模型预测结果对比发现，新模型不但在稀相固含率趋近于0时与文献中模型具有相近的预测能力，且在稀相固含率不为0时，具有明显优于文献模型的相关系数及拟合优度。

超重力法制备CNT负载MnFe₂O₄纳米材料及吸附Pb(II)应用

高雨松 祁贵生 闫文超 郭达 刘有智

过程工程学报. 2022, 22(11):  1504-1511.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221431

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为改善MnFe2O4纳米颗粒在实际应用中的团聚问题，结合多壁碳纳米管(CNT)原位负载，提出超重力法制备CNT负载MnFe2O4纳米材料(MnFe2O4/CNT)。以典型的重金属污染Pb(II)作为研究对象，对其吸附性能进行研究。首先考察了MnFe2O4负载量对Pb(II)吸附容量的影响，确定最佳MnFe2O4负载量为83.3wt%。采用XRD, SEM, N2吸附-脱附比表面分析仪和VSM对最佳MnFe2O4负载量条件下的MnFe2O4/CNT进行表征。MnFe2O4/CNT展现出优异的磁性，其饱和磁化强度为35.85 emu/g，因而可应用于水体中污染物的磁性分离。吸附实验结果表明在初始Pb(II)浓度300 mg/L和溶液pH=6的条件下，Pb(II)在MnFe2O4/CNT上180 min达到吸附平衡，吸附平衡容量为80.7 mg/g，远高于单独的CNT (28.4 mg/g)。动力学研究表明Pb(II)在MnFe2O4/CNT上的吸附符合Elvoch动力学模型，说明吸附机理中存在化学吸附。Freundlich等温线模型能够很好地描述Pb(II)在MnFe2O4/CNT上的吸附过程，其代表发生在非均匀表面的多分子层吸附。另外，吸附等温线实验中获得的MnFe2O4/CNT最大吸附容量为106.2 mg/g，展现出了对重金属Pb(II)优异的吸附性能，在去除溶液中重金属中具有较大的应用潜力。根据X射线光电子能谱分析，表明吸附机理涉及到Pb(II)与MnFe2O4表面羟基的络合。

改性膨润土对废水中Cd(II)的吸附特征及吸附动力学研究

杨秀敏 王文 谢琼丹

过程工程学报. 2022, 22(11):  1512-1520.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221424

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为探讨改性膨润土对Cd(II)的吸附特征及吸附动力学机制，通过吸附实验探讨了pH值、初始浓度和吸附时间对改性膨润土吸附Cd(II)的影响。结果表明，盐酸改性膨润土对Cd(II)的去除率表现为随溶液pH值升高而升高，而氢氧化钠改性膨润土、膨润土与十二烷基磺酸钠改性膨润土的去除率分别在pH=6和7时达到最大值。膨润土及改性膨润土对Cd(II)的去除率随初始浓度的增加而降低，吸附量随平衡浓度增加而增大，并趋向平稳，吸附符合Langmuir方程，吸附为单分子层吸附。膨润土及改性膨润土的吸附反应在240 min内基本达到平衡，吸附动力学分析表明吸附过程更符合准二级动力学模型，吸附过程以化学吸附为主，膨润土及改性膨润土的吸附速率大小依次为K2HCl-B＞K2NaOH-B＞K2B＞K2SDS-B，液膜扩散与颗粒内扩散过程均为控速步骤。该研究可为改性膨润土处理含镉废水和修复镉污染土壤提供参考。

高炉烟尘真空还原过程中铅锌钾氯的挥发特性

王耀宁 马红周 王子钰 王碧侠 施瑞盟

过程工程学报. 2022, 22(11):  1521-1527.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221347

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炼铁过程中会产出大量富集铅、锌、氯、钾等元素的烟尘，这些元素的存在对烟尘中铁的循环利用有不利影响，对其分离是实现高炉烟尘高效循环利用的首要条件。本工作对高炉烟尘进行了TG-DSC综合热分析，对铅、锌、氯、钾元素的水溶特性及其在真空还原过程中的挥发特性以及还原渣中铁的物相进行了研究。结果表明，烟尘在744及963℃有明显的吸热峰，说明在此温度下有较强烈的反应发生。根据烟尘中铅、锌、氯、钾的水溶特性，定性判断四种元素在烟尘中的主要存在形式为ZnCl2, KCl, ZnO, ZnFe2O4, PbO。真空还原可有效提取高炉烟尘中的铅、锌、钾、氯等元素，在炉内压力10 Pa、1100℃保温30 min条件下，烟尘中的铅、锌、钾、氯的挥发率分别为99.90%, 99.76%, 98.31%, 99.70%；烟尘中氯的存在形式主要为ZnCl2和KCl，氯在400~600℃时主要以ZnCl2形式挥发，600℃以上以KCl形式挥发；烟尘中锌除了以ZnCl2挥发以外，在高温阶段为ZnO和ZnO?Fe2O3被还原为金属锌而挥发；钾的挥发以KCl为主，铅的挥发是PbO被烟尘中的碳还原为金属铅蒸气而挥发。高炉烟尘中铁主要为Fe2O3，通过真空还原在895℃保温30 min，Fe2O3被还原为Fe3O4, FeO和Fe，在1075℃保温30 min时Fe2O3基本转变为结晶度较好的Fe。

铜尾矿浮选明矾石精矿中有价元素直接碱浸动力学及过程强化

刘玲 金思强 董彬欣

过程工程学报. 2022, 22(11):  1528-1537.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221362

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作为一种多元素矿物，紫金山铜尾矿浮选明矾石精矿有望成为铝、钾和镓等元素的替代资源。相对于传统工艺，KOH溶液直接浸出明矾石精矿可以避免高能耗的热分解过程，同时降低杂质离子的干扰。本工作研究了铜尾矿浮选明矾石精矿在KOH溶液中的直接浸出行为特性，重点研究了不同碱浓度和温度下精矿中多元素浸出率随时间的变化规律，并结合动力学分析阐明了精矿直接碱浸反应的控制步骤；在此基础上，引入机械活化促进精矿中有价元素的高效浸出。结果表明，在实验条件下精矿直接碱浸过程中仅发生明矾石相的分解；提高KOH浓度和浸出温度可使元素浸出速率快速增加；根据经典的液-固反应收缩核模型的动力学理论，分析发现浸出反应符合化学反应步骤控制。机械活化使精矿粒径降低、比表面积增加、非晶化程度提高，从而使精矿的反应活性增强，使铝、钾和镓的浸出速率提高。

饱和铬酸钠共存苛性碱中铬铁矿的氧化分解行为

李双 张红玲 刘宏辉 高增礼 程西川 王明华 蔡再华 徐红彬

过程工程学报. 2022, 22(11):  1538-1546.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221433

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为考察铬铁矿苛性碱氧化浸出反应体系循环苛性碱溶液对铬铁矿氧化分解行为的影响，以90℃下饱和铬酸钠共存苛性碱(代替单一苛性碱溶液)作为反应介质，研究了苛性碱浓度、氧气分压、铬铁矿粉粒度、反应温度、反应时间等参数对铬铁矿氧化分解过程的影响规律，分析了铬酸钠与苛性碱的分离效果以及铬酸钠与铝、硅杂质元素的分离效果。研究结果表明，铬铁矿氧化分解的较佳工艺条件为苛性碱浓度50wt%、氧气分压3.2 MPa、铬铁矿粒度小于48 μm、反应温度250℃、反应时间240 min。在较优工艺条件下，铬铁矿中铬元素的浸出率达到95.24%；铬铁矿中浸出的铬有96.36%以铬酸钠晶体的形式在后续浸出渣溶解分离过程中进入溶晶液，而铬铁矿中浸出的铝、硅分别有84.92%和95.04%进入到浸出液中；同时，未参与反应的苛性碱有89.41%保留在浸出液中。与苛性碱单一反应介质氧化分解铬铁矿的过程相比，本工作采用的反应方式将从铬铁矿中浸出的主元素铬、杂质元素铝和硅，以及未参与反应的苛性碱分别调整到溶晶液和浸出液中，获得了较好的分离效果。

天然气储气库往复式压缩机异常磨损分析和控制

郑思佳 李雪源 程华 雷思罗 陈敬东 王峰 陈家文 黄兴鸿 钟林

过程工程学报. 2022, 22(11):  1547-1557.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222121

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“十四五”期间全国天然气管网已形成了互联互通，但管输气质更加复杂，一定量的粉尘广泛存在于天然气管道中，导致储气库往复式压缩机压缩缸发生异常磨损。基于切向撞击能量模型，结合现场测量和计算流体力学动网格方法，明确了压缩缸磨损特性。结果表明，压缩缸内润滑油与粉尘混合后形成研磨膏，随着粉尘质量浓度从0.01%增至3.00%，研磨膏黏度从4.51×105 mPa?s增加至1.27×106 mPa?s，密度从890 kg/m3增至980 kg/m3；压缩缸磨损多发生在其12点和6点钟方向，当活塞在行程的两侧时，压缩缸内剪切应力和磨损速率最小，当活塞位于行程中点时，压缩缸内剪切应力和磨损速率最大；发现对于每1000 h运行不需修复压缩缸(磨损量小于0.13 mm)，粉尘质量浓度宜控制在0.60%以下，每5000 h和每10 000 h运行不需更换压缩缸(磨损量小于1.16 mm)，粉尘质量浓度应分别控制在1.30%和0.40%以下；当粉尘质量浓度为0.01%时，磨损速率随润滑油黏度降低而降低，当粉尘质量浓度为0.51%和1.00%时，当润滑油黏度在2.59×105, 2.21×105, 1.97×105 mPa?s时，计算磨损速率随黏度降低陡然增大。

表面活性剂协同作用下湿式过滤除尘实验研究

丁厚成 徐远迪 邓权龙 葛梦圆 刘亚凯 许媛媛

过程工程学报. 2022, 22(11):  1558-1564.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221410

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选取无烟煤粉为对象，对表面活性剂的相关性能以及无烟煤粉的润湿性进行研究，在此基础上设计并搭建了湿式纤维栅除尘系统，研究不同风速、喷雾压力、纤维栅目数以及复配表面活性剂的种类对除尘效率的影响。实验结果表明，表面活性剂可以有效降低水的表面张力，使得煤粉更容易被湿润；在除尘系统还未添加表面活性剂时，干式纤维栅对粉尘的单一过滤效率较低；添加喷雾装置后，除尘效率随喷雾压力的增大先提高，后趋于稳定，且总体效率均明显高于单一纤维栅除尘条件下的效率；纤维栅目数和除尘效率呈正相关，而当风速大于0.7 m/s后，由于纤维网上形成的水膜较多，会对风速产生一定的阻力，此时，风速对除尘效率的变化影响不明显；添加表面活性剂之后，发现LAB-35和X-100混合表面活性剂溶液的除尘效率最高，达到97.03%。

回转窑二次风富氧燃烧的数值模拟

李全亮 梅书霞 谢峻林 陈君 刘纲 杨新富 张海波 刘刚

过程工程学报. 2022, 22(11):  1565-1573.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221393

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针对一实际尺寸的回转窑建立模型，分别进行了空气助燃(21% O2)和二次风富氧(23% O2)燃烧的数值模拟研究。结果表明，二次风富氧后，高温区覆盖形状没有明显变化，仍呈“棒槌状”；在回转窑前端，煤粉挥发分与焦炭燃烧速度加快，整体温度有所提升，最高温度由2386 K增至2427 K，壁面所接收的辐射量得到了提升；但NOx的生成量也大幅度提高，其中出口处NOx由247 mg/m3增至367 mg/m3。考虑到制氧成本问题及NOx排放问题，在二次风中进行富氧燃烧的总体效果不够理想。

介质阻挡放电低温等离子体灭活铜绿微囊藻的实验研究

蒲思川 师兰婷 贺佳 边娜 刘钊

过程工程学报. 2022, 22(11):  1574-1583.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221304

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采用介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)低温等离子体对铜绿微囊藻进行灭活研究，考察了电气参数、场结构参数及铜绿微囊藻溶液液相体系因素等放电条件对其灭活规律的影响。利用多种分析方法[如丙酮提取分光光度法、电导率测定、扫描电镜(SEM)和高效液相色谱(HPLC)]检验DBD低温等离子体对铜绿微囊藻的灭活效果。实验结果表明，放电条件对铜绿微囊藻灭活率有极大影响，在最佳条件下(放电电压160 V，放电电流0.6 A，介质间距4 mm，溶液初始OD值0.2，pH值为弱碱性)放电时间5 min，铜绿微囊藻的灭活率可达90%以上。经DBD低温等离子体放电处理后，藻液颜色由鲜绿色→淡绿色→浅黄色→无色，藻细胞的Chl-a含量大幅减少，光合作用能力被抑制，藻细胞的生长受阻。扫描电镜结果显示，藻细胞在放电处理前饱满、完整；而放电后的藻细胞细胞结构破坏严重，细胞膜破裂，细胞内容物泄漏，仅存少量细胞残骸。放电处理后的藻细胞电解质渗出率增大，细胞膜结构受到严重的破坏导致其通透性增大，细胞内容物外泄。DBD低温等离子体灭活铜绿微囊藻的过程中，藻毒素的含量随放电时间先增加后减小。在最佳放电条件下，放电5 min后，不仅完全降解了藻细胞破裂释放出的藻毒素，去除率达100%，还对原有水体中的藻毒素进行了降解。上述实验结果表明，DBD低温等离子体技术是一种较好的去除铜绿微囊藻的方法。该方法不仅可抑制藻细胞的增殖，造成藻细胞大量死亡，而且不会造成水体的二次污染，具有较好的应用价值。

碱化膨润土-海藻酸钙固定化颗粒作为微生物载体对微污染废水的处理性能

刘晓玉 张亦飞 邓立聪

过程工程学报. 2022, 22(11):  1584-1592.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221418

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近年来，微污染景观水体表现出氨氮、化学需氧量(COD)超标的水质恶化趋势。使用吸附材料是解决该现状的有效途径之一，但是这类材料往往不具备原位长期稳定的处理性能。针对这一问题，本工作选用生物相容性良好的海藻酸钙作为固定剂，制备得到碱化膨润土-海藻酸钙固定化颗粒，探究固定化颗粒作为微生物载体对模拟微污染水体中NH3-N和COD的去除效果。通过溶胶凝胶法采用海藻酸钙固定不同浓度NaOH溶液碱化的膨润土合成系列碱化膨润土-海藻酸钙固定化颗粒。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、Zeta测试、BET比表面积测试对制备得到的系列碱化膨润土及固定化颗粒进行表征，并分析固定化颗粒作为微生物载体对微污染废水的处理性能。研究结果表明，0.5 mol/L NaOH溶液处理的膨润土具有最低的Zeta电位(-27.4 mV)，其表面电负性增强，且表面片层状结构增加。制备的0.5B-CA固定化颗粒比表面积最大，为12.1 m2/g，比膨润土原土合成的固定化颗粒(0B-CA)比表面积增加了28%，有利于微生物附着生存。0.5B-CA固定化颗粒作为微生物载体显示出最佳的NH3-N和COD去除性能。在10周期处理中，所有处理后废水的NH3-N浓度和COD浓度均分别降至1和20 mg/L以下，达到了国家地表水环境III类水标准。本工作制备的碱化膨润土-海藻酸钙固定化颗粒作为微生物载体，在污水处理中同时发挥膨润土的吸附作用与微生物的去除作用，对NH3-N和COD有着优异的去除性能及长期稳定的去除能力，为其在实际场景的应用提供了可能。

酶催化制备吡咯啉-5-羧酸和哌啶-6-羧酸的工艺

沈忱 黄爱敏 顾正华 辛瑜 张梁

过程工程学报. 2022, 22(11):  1593-1600.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221397

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吡咯啉-5-羧酸(P5C)、哌啶-6-羧酸(P6C)是一类同代谢反应和疾病诊疗密切相关的环形亚胺化合物，在机体内氨基酸代谢中发挥重要作用。本研究利用Thermomicrobium roseum肌氨酸氧化酶对-C-N-键的催化能力建立了一种酶法制备工艺并进行了条件优化。通过薄层层析(TLC)、液质联用(LC-MS)和1H-NMR核磁共振鉴别出化合物结构，并建立了含量测定方法。单因素实验分析反应温度、pH和底物浓度对产量的影响，并通过响应面得到P5C最佳反应条件：温度为79.33℃、pH为8.54、底物浓度为112.82 mmol/L，P6C最佳反应条件：温度80.19℃、pH为8.31、底物浓度83.58 mmol/L。在此条件下反应30 min，P5C和P6C的产量分别为340.15±9.12, 450.87±8.54 mg/L。反应48 h后，转化率分别达到81.94%和99.99%。研究结果为酶法制备P5C和P6C奠定了理论基础，为吡咯啉、哌啶类化合物的合成提供了新的思路。