过程工程学报

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过程工程学报. 2024, 24(8): 0.

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卧式混合器新型桨叶结构及其混合特性分析

李申谢林生李果王玉马玉录

过程工程学报. 2024, 24(8): 875-883. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223364 　　CSTR: 32067.14.jproeng.223364

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对卧式混合器的桨叶结构进行开发，采用主、副叶片组合式的结构设计以提升混合器的混合效果。采用计算流体力学软件Polyflow探究了混合器的混合特性，分析了桨叶转速对混合器混合性能的影响，采用混合指数、分离尺度、平均拉伸率、对数拉伸率和累积解聚功表征了混合器的分散和分布混合能力，通过可视化实验验证了模拟结果的可靠性。结果表明，模拟结果与可视化实验结果呈现出一致性，新型桨叶结构的混合器内物料流动类型以剪切流动为主体，占比约85%，流场内平均拉伸率和平均对数拉伸率始终为正值表明其具有较好的分布和分散混合能力，桨叶转速的提高对流场内物料的流动类型影响较小，但能有效提高混合器的分布混合和分散混合的性能，当桨叶转速从30 r/min提高到120 r/min，混合器的横向分布混合平均分离尺度下降了50%，平均拉伸率提高了300%，平均累积解聚功提高了1500%。

基于低浓度甲烷富集的变压吸附工艺流程优化模拟

邱明俊李小敏尚华杨江峰李晋平

过程工程学报. 2024, 24(8): 884-893. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224042 　　CSTR: 32067.14.jproeng.224042

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甲烷富集是开发利用低浓度煤层气的必要措施，变压吸附技术以其低能耗、低成本成为研究热点。基于Aspen adsorption流程模拟软件研究了氮气选择性吸附剂MIL-100(Cr)和甲烷选择性吸附剂Silicalite-1在常规双塔六步真空变压吸附(VPSA)工艺和增加缓冲罐优化的VPSA工艺下富集低浓度甲烷的过程。模拟结果表明增加缓冲罐优化的VPSA工艺可以有效提升甲烷回收率，在MIL-100(Cr)上甲烷回收率提升表现优于Silicalite-1。采用单次循环效率综合指标定量分析了吸附剂类型和工艺对甲烷富集效果的影响，增加缓冲罐优化的VPSA工艺在MIL-100(Cr)吸附剂上的单次循环效率提升超过30个百分点，Silicalite-1吸附剂单次循环效率降低1个百分点。综合分析表明Silicalite-1吸附剂适用于常规VPSA工艺富集低浓度甲烷，而MIL-100(Cr)吸附剂更适合增加缓冲罐优化的VPSA工艺富集低浓度甲烷。

基于CFD-DEM的新型挡板式移动床反应器内Ca(OH)₂/CaO热化学储能过程模拟

陈简一许闽仝仓黄彩凤淮秀兰

过程工程学报. 2024, 24(8): 894-903. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224048 　　CSTR: 32067.14.jproeng.224048

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Ca(OH)2/CaO热化学储能技术因其高储能密度和低成本等优势而备受关注，被认为是一种具有潜力的新型储能技术。普通的固定床反应器存在Ca(OH)2颗粒储热速率过低的问题，为改善储能速率，引入了一种挡板式移动床结构，并采用计算流体力学与离散元耦合方法(CFD-DEM)对重力作用下移动反应床内Ca(OH)2颗粒的储热过程进行了研究。相比多孔渗流模型，CFD-DEM更接近真实的流动情况，能提供颗粒尺度的物理信息。结果表明，相同条件下移动床能获得比固定床更高的储能速率，证明了将移动床用作热化学反应器的可行性；移动床内挡板的引入能有效延长颗粒在反应器中的停留时间，从而提高反应器的储能速率与能源利用率，但也会增加气体侧的压降。提高反应器进口气体温度能提高储能速率；在一定范围内提升进口气体流速可提高储能速率，但过高的流速可能引起堵塞，导致储能速率降低；进口固体流量存在最优值，使反应床的总储能速率最高。

基于人工神经网络的流化床流场演化模拟

吴雪岩史天乐李飞于三三卢春喜王维

过程工程学报. 2024, 24(8): 904-913. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224006 　　CSTR: 32067.14.jproeng.224006

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计算流体动力学(CFD)是一种模拟流化床中复杂气固流动的常用方法，此方法计算效率较低，而人工神经网络(ANN)模型能克服这一缺点，实现高效计算。本工作结合CFD与人工神经网络，发展了一种快速获得流化床内流场演化的人工神经网络模型。该模型对颗粒浓度、气体压力和气固两相速度构建了不同的网络结构，以多相质点网格(MP-PIC)方法模拟流化床得到的结果作为数据集进行训练。验证结果表明，该人工神经网络模型成功实现了对流化床中的颗粒浓度、气体压力和气固两相速度的预测。在精度方面，三种网络结构模型均可准确预测一个时间步长的流场数据，在进行长时间流场预测时仍存在误差。在计算效率方面，人工神经网络模型的计算速度约为MP-PIC方法的13 000倍。

基于后燃烧技术的CFB锅炉低氮燃烧数值模拟

刘晓杰徐顺生孔润娟刘建波

过程工程学报. 2024, 24(8): 914-925. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224031 　　CSTR: 32067.14.jproeng.224031

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为促进循环流化床(Circulating Fluidized Bed, CFB)锅炉氮氧化物(NOx)深度抑制，采用计算颗粒流体动力学(Computational Particle Fluid Dynamics, CPFD)方法建立了CFB锅炉全回路流动及燃烧数值模型，通过与锅炉运行数据的对比验证了模型的可靠性。耦合后燃烧技术后，分别研究循环流化床中过量空气比、一次风率和上下二次风比对炉膛燃烧和NOx排放的影响。结果表明，贫氧燃烧造成的高CO摩尔分数区有利于NOx还原。使用后燃烧技术后，炉膛还原氛围增强，NOx排放由174.6 mg/m3降至114.2 mg/m3。结合空气分级，优化一次风率及上下二次风比例后，CO排放由基础工况的3.4×10-5增至7.1×10-5，燃烧效率略微降低，NOx排放进一步减少。较优工况下，NOx排放由174.6 mg/m3降至76.3 mg/m3，NOx排放减少了56.3%，炉膛温度分布均匀。研究结果可为后燃烧技术应用于CFB锅炉提供理论支持。

马氏体相变对CMT熔覆9Cr-1Mo涂层残余应力影响的数值模拟

尹孝辉刘辉嵇翔宇独家卿王瑞胡磊

过程工程学报. 2024, 24(8): 926-936. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223284 　　CSTR: 32067.14.jproeng.223284

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为了提高低碳钢的使用温度，采用冷金属过渡(Cold Metal Transition, CMT)焊接技术在Q235基板上制备了9Cr-1Mo涂层。由于焊接热效应，熔覆后涂层和基板热影响区会形成显著的残余应力。使用盲孔法测量了试样表面残余应力分布，同时使用SYSWELD软件开发了考虑材料马氏体固态相变的热-冶金-力学耦合计算的有限元方法，模拟了CMT熔覆9Cr-1Mo涂层温度场与应力场分布，并分析了马氏体相变对残余应力分布的影响。结果表明，涂层部分主要为马氏体组织，热影响区主要为铁素体与珠光体组织。多道焊中的多次热循环对涂层残余应力演化影响明显，后道焊道焊接热循环可以使先焊焊道熔覆时产生的应力重新分布，并同时改变残余应力的方向和大小。马氏体相变使熔覆层大部分区域呈现为压应力，而基板热影响区主要为拉应力。其中，最高横向残余拉应力出现在熔合线附近的热影响区，峰值为300 MPa，压应力集中在熔深附近的熔覆层上，峰值达到-200 MPa。最高纵向残余拉应力出现在焊道之间的热影响区中，峰值达到550 MPa，压应力峰值出现在焊道底部，峰值达-400 MPa。在马氏体相变和后焊焊道热循环的作用下使表层残余应力呈现拉压相间分布状态。模拟结果与实验结果吻合良好。

化工过程预警的CNN-LSTM耦合模型研究

崔劲松贾波李学盛王亚茹李海航王海宁包其富

过程工程学报. 2024, 24(8): 937-945. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223280 　　CSTR: 32067.14.jproeng.223280

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针对化工过程参数的实时性、多维性、非线性，以及化工流程复杂、互相干扰项多、预警方法单一等情况，本工作提出了一种针对化工过程异常工况的深度学习回归预测与ADF (Augmented Dickey-Fuller)检验相耦合的预警模型。在对缩合反应的超温异常工况监测预警分析中，使用卷积神经网络和长短期记忆网络(Convolution Neural Network-Long Short-Term Memory, CNN-LSTM)模型实现了对未来400 s内过程重要参数的预测。同时利用ADF检验，对该时段的重要参数进行趋势检验。当结果为趋势不稳定，并且CNN-LSTM模型预测到某时刻重要参数超过警戒线，再对安全人员发出警报。结果表明，本工作所提出的方法在检测到过程参数不平稳后，分别以模型拟合优度(R^2)为0.9827和0.9882的情况下提前18和16 s预测到异常工况的发生，从而实现化工过程异常工况的提前预警，对实现化工过程安全运行进行了有利探索。

N₂和CO₂气氛下菱镁矿热分解的动力学机理

马晓宇刘波陈功范丽华王德喜

过程工程学报. 2024, 24(8): 946-954. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223345 　　CSTR: 32067.14.jproeng.223345

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为解决轻烧氧化镁回转窑能耗高、环保性差、生产效率低的问题，研究者提出了新型焙烧炉，其具有良好的节能潜力，为了进一步优化结构及生产过程，需要更深入地了解菱镁矿的热分解动力学特性。本研究基于菱镁矿焙烧工业实际生产中炉窑内气相成分考虑，采用TG-DTA热分析技术研究了菱镁矿在N2和CO2气氛下的热分解动力学行为。结果表明，菱镁矿在N2气氛下的热分解动力学过程先后经历相边界反应收缩柱状机理和随机成核生长机理两个阶段，而CO2气氛下的动力学过程包含三个阶段，涉及随机成核生长机理和相边界反应收缩球状机理两种机理模式。进一步分析认为CO2对菱镁矿热分解过程的影响具有双面性，一方面使反应活化能增大，增高分解反应温度；另一方面能诱导产物CO2成核生长，使分解反应速率对温度的变化更加敏感。本研究揭示了N2和CO2气氛下菱镁矿热分解的动力学机理，对优化新型焙烧炉提供了数据支持，具有重要的工程应用前景，也能够为进一步的研究提供参考，推动菱镁矿加工领域的技术进步和持续性发展。

硝酸体系电解精炼制备高纯铜

李梦阳徐亮葛涛何瑞韩晓雨杨成赵卓

过程工程学报. 2024, 24(8): 955-963. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223333 　　CSTR: 32067.14.jproeng.223333

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高纯铜具有优良的延展性、导热性、导电性及较为稳定的化学性质，在半导体材料、光电子等领域应用广泛。本研究采用硝酸体系作为电解质，以4N金属铜为原料，一步电解精炼制备纯度为5N的高纯铜，系统研究了H2O2添加量、电流密度、电解液pH、Cu2+浓度等因素对电解过程的影响。结果表明，硝酸体系电解精炼制备高纯铜的最佳工艺条件为Cu2+浓度为80 g/L、pH=1.0、H2O2加入量为0.10 mL/100 mL、电流密度为200 A/m2。在该条件下进行电解精炼，阴极沉积的高纯铜表面光滑平整，电流效率达到97%以上。对最佳条件下获得的阴极产物进行ICP-MS检测，其中S, Ni, Se, As, Sb, Pb, Bi等常见杂质元素含量均符合5N高纯铜的国家标准。

复分解电渗析清洁制备碘化锂实验研究

卫新来李旭杨宁宁吴克

过程工程学报. 2024, 24(8): 964-971. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223342 　　CSTR: 32067.14.jproeng.223342

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碘化锂广泛应用在燃料电池的合成中，目前碘化锂的生产方式主要有联氨法和硫化氢还原法，制备过程中需使用联胺或硫化氢，这些均属于危险化学品，存在较大安全风险，制约它的工业化生产。本工作以初级锂盐硫酸锂为原料，采用复分解电渗析清洁制备碘化锂，研究了操作电压、产品液与原料液初始体积比和原料液初始浓度对制备过程的影响，并对碘化锂产品与制备过程进行评价与经济性分析。实验结果表明，提高操作电压可以缩短反应时间；降低产品液与原料液初始体积比可以明显提升碘化锂产品浓度，但电流效率会下降；增加初始原料液浓度可以显著提升碘化锂产品的浓度，提升系统的产能。在操作电压为25 V，初始碘化钾浓度为0.2 mol/L，初始硫酸锂浓度为0.1 mol/L，产品液与原料液初始体积比为1:1的条件下，制备的碘化锂产品纯度可达98.8%，工艺过程成本约为3.6 ￥/kg LiI。复分解电渗析制备碘化锂具有工艺流程简单、能耗低、环境友好等明显优势，这对电驱动膜分离在锂盐清洁生产的应用具有重要参考意义。

KF-AlF₃熔盐低温可视化电解NEU-1月壤仿真样

李承放刘爱民谢开钰李得天何成旦王琎王永军石忠宁

过程工程学报. 2024, 24(8): 972-981. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223318 　　CSTR: 32067.14.jproeng.223318

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以57Fe-43Ni合金为惰性阳极、以镍网为阴极并用于盛装月壤仿真样，在650℃的43KF-57AlF3电解质体系中电解NEU-1月壤仿真样。利用透明槽可视化观察了电解过程中电极反应现象，并通过X-射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)和红外在线检测仪分别对电解质、阴极产物和阳极气体进行了表征。研究发现，在电解过程中电解质呈现三种不同颜色层，上层电解质为黄棕色，其冷凝后物相是KAlF4和Fe3O4；中层侧部为透明电解质，中心区域呈黑色，冷凝后物相为SiO2, NiO和Fe-Ni，在中层侧部还发现有少量Fe3O4和Al-Fe合金；下层呈蓝紫色，主要物相为Al, Al2O3和Fe-Ni-Si-Ti合金；阴极附近有小颗粒金属产物，阴极镍网外表面样品的主要成分为Fe (35.09wt%)，还含有少量的Ti (1.06wt%), Al (9.38wt%)和Si (3.62wt%)；电解过程中阳极底掌持续生成氧气，电解2 h后产生的气体中氧气的体积分数稳定在95vol%。

Ramichloridium apiculatum生长特性及其对钙长石中Ca²⁺和Mg²⁺浸出的研究

马炯政郭建英刘生玉常承兵温全宝

过程工程学报. 2024, 24(8): 982-992. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223330 　　CSTR: 32067.14.jproeng.223330

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二氧化碳矿物封存过程受到Ca2+和Mg2+浸出速率的制约，采用微生物浸矿预处理强化该过程具有低能耗、环境友好、易于大规模工业化实施等优势。从土壤中分离获得一株对钙长石有良好适应能力的菌株，经鉴定为真菌Ramichloridium apiculatum。利用察氏培养基探究培养条件对菌株生长的影响，在最适宜生长条件下进行钙长石浸矿实验，并利用透析法进一步研究真菌直接/间接接触模式下钙长石中元素释放的差异。真菌在接种量4wt%、葡萄糖为碳源、NH4Cl为氮源、初始pH值7.5的条件下生长最好；相比去离子水，真菌使钙长石Ca2+和Mg2+的浸出率分别提高了10.04倍和10.11倍；直接接触实验Ca2+和Mg2+浸出率分别是间接接触实验的2.94倍和2.51倍。真菌通过代谢产物的质子交换、络合作用以及真菌生物物理破坏作用促进钙长石中Ca2+和Mg2+溶出。

酸性体系下高岭土的絮凝沉降行为

俞新煌李世淇展鑫磊郭宝邓荣东蒋开喜谢洪珍

过程工程学报. 2024, 24(8): 993-1000. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224024 　　CSTR: 32067.14.jproeng.224024

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在处理含细泥、高硅有色金属矿物时，常出现沉降速率慢、固液分离难等问题，不利于后续的萃取-电积过程，从而影响生产的正常运转。为解决酸浸矿浆中除硅难的问题，本工作以-2000目(6.5 μm)高岭土为原料，探究了细粒高岭土在酸性体系下的絮凝沉降行为。结果表明，聚丙烯酰胺(PAM)对高岭土的絮凝性能强于聚乙二醇(PEO)。助凝剂聚苯乙烯磺酸钠(PSS)可以进一步提高絮凝效果，PAM和PEO与100 g/t PSS配合使用时絮凝作用最佳；而单宁酸(TA)的助凝效果不明显；利用聚焦光束反射测量(FBRM)发现，絮凝过程中产生絮团的大小与用药量呈正相关，但絮团越大，抗剪切能力越弱，且絮团的破坏过程是不可逆的；Zeta电位表明，PSS能够有效降低其表面电位，这是高岭土能够在酸性体系下絮凝的主要机理。

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