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    2022年 第22卷 第12期    刊出日期:2022-12-28
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    过程工程学报. 2022, 22(12):  0. 
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    研究论文
    废钢在底吹反应器中运动熔化及混匀的水模型实验
    裴康华 陈超 赵宇 林尧铖 杨荣旺 朱江俊 王涛 杨康 林万明
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1601-1612.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222053
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    通过水模型实验,使用饱和氯化钾溶液制作的冰样模拟重型废钢,研究其在底吹气体搅拌反应器中的运动、融化及溶质的混匀规律。探究了单孔吹气模式下的液面高度、双孔吹气方式下的气体流量等因素对其的影响。结果表明,单孔吹气时,液面高度较低时(液面高度与直径比为0.42),气柱发展不充分,容器内环流较弱,盐球在气柱上下往复运动,融化较为缓慢。随着液面高度增加(液面高度与直径比为1.04),盐球随着环流运动,融化过程加快,按照98%标准得到的KCl的混匀时间甚至低于融化时间。双孔吹气时,A孔气体流量0.8 m3/h不变,B孔气体流量为0.5和1.0 m3/h时,盐球从吹气孔A上方加入后,在容器底部停留一段时间,在60~70 s之后才运动到顶部,沿着环流运动;B孔流量增加至1.5 m3/h时,盐球不会在底部停留,随气柱运动到吹气流量大的一侧的羽流区,其融化过程较快。在双孔吹气方案中,也发现了KCl的混匀时间低于融化时间的规律,这和融化末期盐球质量较小,释放的盐分较少有关。在本研究中,双孔吹气对盐球融化的促进作用不如单孔吹气且流量较大的方案。
    水下四氯化碳单液滴在凹壁面上的动态特性
    张静 张浩 龚斌 李雅侠 柳思远 吴剑华
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1613-1622.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221408
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    采用实验观测与图像处理相结合,对CCl4液滴在水下撞击凹壁面后的动态特性进行了系统研究。结果表明,液滴撞击凹壁面的过程经历了下降、扩散、松弛、滚动和润湿五个阶段。液滴与凹壁面间的撞击角θ对液滴拉伸特性的影响大于液滴初始直径和壁面曲率半径。当θ=90°时液滴垂直撞击壁面最低点,液滴迅速弹跳并强烈回缩,铺展时间短且变形率最小。在θ=100°~150°时,随着撞击角增加液滴变形幅度增大,相邻时刻滑动变形率小于滚动变形率。110°<θ<130°时液滴以滑动和铺展为主。θ>130°时液滴沿壁面滚动现象更容易发生。θ=154.2°时液滴接近纯滚动状态。增大撞击角,液滴沿凹壁面滚动下滑有效降低壁面黏附和液滴破碎。
    气固流化床中颗粒的夹带和扬析特性
    王琦 马准准 马宏方 钱伟鑫 孙启文 张海涛 应卫勇
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1623-1632.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222004
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    在内径0.5 m、总高6 m的流化床中对玻璃珠和白刚玉颗粒的夹带和扬析现象进行了实验研究,两种颗粒通过筛分配比得到不同粒径分布的实验物料,以0.25~0.76 m/s的速度分批进行流态化试验,考察了表观气速、床层物料粒径分布以及颗粒粒径对颗粒夹带和扬析速率的影响,得到了颗粒的扬析速率常数(Ki*)。实验结果表明,夹带量和扬析速率常数随着表观气速呈指数增加;扬析速率常数随着颗粒粒径减小先增加,达到一个临界粒径(dcrit)后,扬析速率常数会随着粒径减小趋于平缓或降低。提出了一组经验关联式,分别用于预测临界粒径两侧颗粒的扬析速率常数,关联式能很好地预测本工作实验条件下的数据,误差在30%以内,并且关联式能够对文献中的实验数据进行较好的预测,可以用于流化床装置的放大。
    基于VOF-DPM的气体辅助式污泥雾化破碎的数值模拟
    范海宏 李周 李斌斌 李琳 尚硕 王佳杨
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1633-1642.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221412
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF (3831KB) ( )  
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    为实现污泥雾化破碎的数值模拟,探究污泥雾化特征和操作参数对污泥雾化效果的影响,在污泥雾化试验平台试验的基础上基于Fluent软件对污泥在气体辅助式雾化器的雾化破碎进行模拟研究,模拟结果确定了污泥的雾化特征和最优操作参数。通过耦合流体体积法(VOF)与离散相模型(DPM),对较大的液体团采用VOF方法直接求解,对小液滴采用双向耦合的离散相模型进行追踪,能最大程度地提高计算的准确性。结果表明,污泥的密度和黏度随着含水率升高逐渐降低,气体速度、气液比和雾化角度是影响污泥雾化破碎的最重要的三个操作参数。在雾化过程中,中心区域的雾滴密度大于边缘区域且有少量大颗粒的聚集。对于含水率为87%、密度为1.065×103 kg/m3的污泥,在风速为180 m/s,气液比为126.3,雾化角度为55°时雾化效果最佳,雾滴颗粒的平均粒径约为0.193 mm,试验结果与模拟结果的颗粒粒径吻合度较好,最大相对误差为5.80%。
    柱状颗粒沉降过程的CFD-DEM联合仿真和实验研究
    刘佳君 刘雪东 吕圣男 高华鑫 邵佳伟 张红红
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1643-1651.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221386
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    相关文章 | 计量指标
    针对柱状催化剂颗粒相对于球形颗粒的不同运动特性,选择不同长度直径为2 mm的5种柱状颗粒,采用CFD-DEM数值模拟仿真,研究柱状颗粒在管状容器中沉降的运动行为,并建立柱状颗粒沉降试验台,采用高速摄像拍摄的方法进行实验研究。结果表明,在不同位置释放相同直径和长度的柱状颗粒时,靠近壁面释放的颗粒会在沉降过程中向中心漂移,且比中心释放的颗粒沉降更慢,时间更长;改变柱状颗粒与水平面的夹角,在圆管中心释放颗粒,最终颗粒都会旋转至水平状态,与水平面夹角越大,底部所受阻力越大,转动持续时间随之增加;推导柱状颗粒沉降斯托克斯方程,并通过实验数据对方程中的阻力系数进行修正,将修正后的阻力系数导入用户自定义函数(UDF)计算颗粒沉降末速度,相对误差从原来使用球形颗粒阻力系数的50%下降到17%以内,模拟较为可靠。
    粗粒化CFD-DEM的离散松弛模型
    余亚雄 段凡 张宇 周强
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1652-1665.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222036
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    采用粗粒化技术的计算流体力学-离散单元法(Coarse Grained Computational Fluid Dynamic and Discrete Element Method, CFD-CGDEM)可以减少计算量,有着广阔的工业应用前景。然而与CFD-DEM相比,CFD-CGDEM存在能量耗散速率偏低导致其计算的粒化温度和固相应力过大的问题。本工作基于均匀耗散系统的颗粒动理学理论构建了一种离散松弛模型(DRM),该模型通过给相邻颗粒对之间施加耗散力的方式增强颗粒间的能量耗散速率。采用均匀耗散系统和鼓泡流化床对DRM粗粒化模型进行了验证,结果表明,与传统的粗粒化模型相比,采用DRM的CFD-CGDEM能够更准确地预估均匀耗散系统中粒化温度的演化过程;且在鼓泡床模拟中发现,与采用传统粗粒化模型或Yu等(Ind. Eng. Chem. Res., 2021, 60(15): 5651-5664)的松弛模型(RMF)相比,采用DRM的CFD-CGDEM可以得到与CFD-DEM更为接近的时均量。
    输油转子泵啮合间隙与转子叶数对泵性能影响规律研究
    李琴 王慧 黄志强 马亚超
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1666-1675.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221438
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    为了提高输油转子泵腔内部流动稳定性,同时提高泵的容积效率,建立了5种啮合间隙、3种转子叶数的输油转子泵模型进行对比分析。基于动网格技术和SST κ-ω湍流模型对输油转子泵腔内部进行数值模拟,并通过试验验证了研究方法的可行性,分别研究了啮合间隙、转子叶数对输油转子泵性能影响规律,并对输油转子泵的啮合间隙、转子叶数进行了优化设计。结果表明,啮合间隙从0.1 mm增至0.3 mm,2叶输油转子泵腔内高速流动区域扩大,转子腔内漩涡强度增大,泵腔内流体流动的平稳性和容积效率降低;转子叶数由2增加为4,转子腔内压力变化的多样性增加,3叶转子泵腔内流体流动最平稳。优化设计的输油转子泵腔内流动平稳性得到提高,同时容积效率提高了2.1%,能更好地满足油田输油的需要。
    吸附CO2煤体的力学性能劣化机制
    朱川曲 马合意 赵鹏涛
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1676-1682.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221382
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    准确了解CO2吸附诱发煤层力学性质的变化是安全实施CO2封存的必要条件。通过进行不同CO2吸附平衡压力下煤样试件的三轴压缩试验,考察了CO2吸附后煤体力学性能的变化规律。结果表明,吸附CO2降低了煤质的表面能,进而降低了煤体整体强度;CO2吸附后引起煤体的塑性效应,导致煤体弹性模量减小;煤体的强度和弹性模量随着CO2吸附平衡压力增大而降低,其变化量可以用Langmuir型曲线描述,相关系数均达到0.99以上。高阶煤(无烟煤)强度和弹性模量均远大于低阶煤(长焰煤),而吸附CO2后高阶煤的强度和弹性模量降低百分比更高。
    Lightnin内插件强化混合器内湍流混合及反应特性
    禹言芳 贺媛媛 杨鹏 姚云娟 孟辉波 吴剑华
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1683-1690.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222066
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    采用计算流体力学组分输运模型和SST k?ω湍流模型,在Re=3000~9000范围内研究Lightnin静态混合器内萘酚(组分A)与对氨基苯磺酸(组分B)偶合氮化串联竞争反应,分析化学反应场中各组分浓度分布规律、湍流流动及微观混合特性。Lightnin内插件能够推进管内主反应的高效进行,副产物S较少且其浓度在0.0004~0.03 mol/L,而主产物R的浓度较副产物S高两个数量级。湍流强度随着雷诺数的增大呈现明显上升趋势,Re=3000时z/l=2处的湍流强度峰值(达到2.95)是出口处的2.02倍。湍流耗散率ε随径向位置的增加而减小,wA=0.5~0.6时浓度对ε的影响微弱,而wA=0.7~0.9时ε的轴向和径向分布随着浓度的增大逐渐减小,wA=0.6~0.9时z/l=10处的ε相比于wA=0.5时依次减小2.43%, 8.86%, 19.80%, 42.25%。Re=6000~9000时径流数呈周期规律分布,偶数旋流元件内形成小峰值,奇数元件内则内凹。组分A与组分B在摩尔比一定的条件下,Re=4000~9000出口位置处的微观混合特性相比于Re=3000时分别增强18.22%~55.34%。
    Ti/Sn掺杂CeMn基催化剂的低温脱硝活性及抗水性能
    钱立新 丁龙 魏进超 杨本涛 张洪亮 龙红明 王宏涛
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1691-1701.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221388
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    采用共沉淀法制备了Ti/Sn掺杂的CeMn基复合金属氧化物催化剂,研究了Ti/Sn改性对CeMnOx催化剂的脱硝性能和抗水性能的影响,并通过物化性能表征对催化剂的微观结构、吸附氨状态、氧化还原能力以及表面元素价态进行了分析。结果表明,Ti和Sn元素的引入均可以提升CeMnOx催化剂低温NOx转化活性和抗水性能,并且Ti的提升效果更加显著,在150~250℃,CeMnTiOx脱硝效率接近100%,在200℃、10vol% H2O条件下,脱硝效率维持在95%以上。H2程序升温还原、NH3程序升温脱附及X射线光电子能谱等检测结果表明催化剂表面Ce-O-Ti和Mn-O-Ti结构的形成提升了催化剂的氧化还原性能,增多了催化剂表面弱酸位、中强酸位数量,同时形成了更多的氧空位,从而使催化剂获得了良好的低温NOx转化活性。
    β-甲基萘合成2-甲基-1,4-萘醌绿色氧化反应工艺
    潘瑾雯 杨索和 何广湘 郭晓燕 靳海波 马磊
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1702-1709.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221426
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    2-甲基-1,4-萘醌(2-MNQ)是K族维生素的重要中间体,广泛应用于医药、农药、饲料添加剂等领域。本工作以2-甲基萘(2-MN)为原料,(NH4)2S2O8为引发剂,用30% H2O2与冰醋酸在硫酸催化下制备过氧乙酸并滴加至反应液中,氧化合成2-甲基-1,4-萘醌(2-MNQ),通过ICIR, GC-MS, LCMS对其结构进行表征,并验证氧化反应机理及中间产物。考察了催化剂、反应温度、反应时间、氧化剂与引发剂用量对产品2-MNQ收率、转化率的影响,采用HPLC (外标法)测定产品2-MNQ的转化率和收率,得到最佳工艺条件为反应温度65℃、反应时间5 h、n(H2O2):n(2-MN)=26:1,此时,2-甲基萘的转化率为99%,产品收率为34%。本工作的创新点是使用原位红外技术验证反应机理和中间过程,即原料2-甲基萘经过氧乙酸氧化,发生环氧化反应生成中间体,之后重排生成2-甲基羟醌,继续氧化生成目标产物2-甲基-1,4-萘醌。该工艺具有简单环保、操作条件温和、原料易得等特点。
    NaAlO2硫酸法合成高质量拟薄水铝石
    罗铃 李平 黄凯 张海林 陈兴 刘文科 郑诗礼
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1710-1718.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221339
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    拟薄水铝石常应用于石油化工、环保等行业,是活性氧化铝的前驱体、分子筛、黏结剂等的重要原料。近年来,我国石油化工行业面临严峻挑战,原油劣质化、重质化,产品轻质化、清洁化和成本高等问题愈加突出,迫切需求拟薄水铝石的低成本生产制备方法。本工作采用NaAlO2硫酸法结合动态调控pH合成了物相纯、具有特定孔结构的拟薄水铝石产品。通过XRD, BET, SEM, NMR等表征分析得出,硫酸法在pH=7、75℃下反应0.5 h可合成比表面积、孔容和平均孔径分别为341.01 m2/g, 0.41 cm3/g, 4.78 nm的γ-AlOOH,在极端合成条件会生成Al(OH)3杂相。动态调控pH可以有效促进产品相纯化和孔结构改善。在70℃、NaAlO2和Al2(SO4)3流速15 mL/min、反应10 min、老化10 min的条件下,杂相Al(OH)3向γ-AlOOH转变,可将含有28.2%的Al(OH)3杂相经过摆动后降至3.1%,纯化后的γ-AlOOH结晶度增强,其中27Al以六配体形式存在,比表面积、孔容和平均孔径分别增加到358.88 m2/g, 0.70 cm3/g和7.83 nm。
    转炉渣中含磷固溶体相的形成行为研究
    夏云进 曹恒 李孝攀 李杰 范鼎东 黄奇
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1719-1728.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222028
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    本工作在1400℃下,将平均尺寸约450 μm的硅酸二钙颗粒加入到CaO-FeO-SiO2-P2O5体系转炉渣,研究了硅酸二钙的溶解及含磷固溶体相的形成行为。结果表明,硅酸二钙颗粒在FeO-SiO2-P2O5体系转炉渣中溶解时,沿硅酸二钙颗粒周围形成3个区域:未熔硅酸二钙区域(边缘区域渗透高FeO含量的液态渣)、液相和固相(2CaO?SiO2固相和2CaO?SiO2-3CaO?P2O5固溶体)共存区域以及基体渣层;转炉渣中含磷固溶体相的形成方式为析出机制和扩散机制共存,通过析出机制形成的固溶体中的磷含量较高、其他元素含量较低;通过扩散机制形成的固溶体中的磷含量相对较低、其他元素含量相对较高。
    不同结构微反应器下甲烷水蒸气重整制氢性能对比
    刘俊伯 郭欣 张朔昕 吴棒
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1729-1738.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221327
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    微通道反应器是便携式制氢领域目前最有发展前景的技术之一。为了提高甲烷水蒸气重整在微反应器内制氢的效果,设计了三种不同结构的微反应器几何模型,分别为直管(Pipe)模型、平板圆弧弯道(FCC)模型和三纹内螺旋枪管(Tri-g ISB)模型,利用Ansys Fluent流体仿真软件结合甲烷水蒸气重整制氢的CHEMKIN反应机理文件对三种不同结构的微反应器进行了数值模拟分析。通过研究不同条件下微反应器出口气体组分变化可知,入口速度越小,CH4转化率和H2体积分数越高;S/C>3时,CH4转化率增大至80%以上、H2含量增加至73vol%以上;壁面温度越大,CH4转化率可稳定在99.9%,几乎完全转化,H2含量增大到77vol%以上,但温度过高会降低H2产量,增加CO含量。通过计算不同条件下微反应器达到稳定所需时间可知,随入口速度和S/C增加稳定时间均逐渐减小并趋于稳定,随壁面温度增加,稳定时间先减小后增加。通过对比三种微反应器可知,复杂结构可以强化微反应器的性能,但会增加微反应器达到稳定所需的时间。在微反应器性能方面:FCC模型最优,Pipe模型最差;而在稳定时间方面:随着结构复杂性增加稳定时间反而增长,Pipe模型最短,Tri-g ISB模型最长;微反应器结构的复杂程度不同,对性能的提升也不同,过于复杂的结构反而会抑制微反应器的性能。
    TiB2的分散行为对铝电解惰性阴极材料性能的影响
    张子阳 王维 王伟彬
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1739-1746.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221404
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    为了解TiB2对铝电解阴极材料性能的影响,在实验室通过热压烧结制备TiB2-C复合阴极材料,并对制备的阴极试样进行在线钠膨胀测试。结合XRD, SEM和TEM等微观分析手段,研究钠元素对阴极的渗透、TiB2-C复合阴极材料与基体之间的界面行为和TiC对阴极材料性能的影响。结果表明,在电解过程中,TiC通过溶解-析出方式提高了阴极材料石墨化度,改善了阴极材料的性能。在相同电流密度情况下,TiB2-C复合阴极材料能够有效降低阴极压降。通过在功能层与基体之间插入一层过渡层,改善了TiB2-C复合阴极材料与基体之间的黏合,能够有效减少钠元素对阴极的侵蚀。该研究对延长电解槽阴极的使用寿命以及降低铝电解的生产能耗具有理论指导意义。
    载阿奇霉素-鼠李糖脂胶束制备工艺优化及性能表征
    张宇宁 付菁源 林诗宇 李晓娟 张伟 符华林
    过程工程学报. 2022, 22(12):  1747-1754.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221425
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    采用薄膜水化法制备载阿奇霉素-鼠李糖脂(AZI-RHL)胶束,以包封率、载药量为评价指标,通过单因素试验和正交试验优化制备工艺,并考察其理化性质。制备载药胶束前先测定RHL水溶液的临界胶束浓度(CMC)。结果表明,RHL水溶液的CMC值约为0.25 mg/mL。优化后的最佳制备工艺条件为:RHL投料量100 mg,甲醇用量12 mL,搅拌时长20 min。在此条件下制备的AZI-RHL胶束呈球形,水动力学直径为136.3±68.5 nm,Zeta电位为-23.1±6.8 mV,包封率为80.34%±0.60%,载药量为19.42%±0.48%。红外光谱证明AZI包埋在胶束中。体外释放试验表明AZI-RHL胶束具有一定的缓释作用,其体外累计释放曲线符合Ritger-Peppas方程,释放药物以Fick扩散为主。综上所述,AZI-RHL胶束的制备工艺稳定可靠,胶束粒径小,且包封率、载药量高,是一种有潜力的新型制剂。