过程工程学报

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过程工程学报. 2024, 24(9): 0.

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气液两相流体系下微反应器技术研究进展

叶欣然吴赞王海鸥樊建人

过程工程学报. 2024, 24(9): 1001-1015. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224035

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微反应器具有传热传质效率高、反应参数控制严格、易于放大、安全性能好等优势。微反应器技术与气液多相催化反应的结合是开发高效且可持续的化工生产技术重要手段。气液多相催化微反应器集成了催化反应和微反应器技术的优点，在化学合成中具有广泛的应用前景。根据非均相催化剂固定方式，气-液-固三相催化微反应器可以分为壁面负载式微反应器和填充床式微反应器。微反应器中多相流的流动和物质传递都会对微反应器性能产生影响，研究微反应器的气液两相流问题有利于指导高性能微反应器的设计和应用。本工作首先回顾了微反应器技术的特点，介绍了微反应器的结构优化方案，简述了微反应器中的气液两相流流型、传质特点和气泡破裂动力学。随后重点讨论了多相催化微反应器的应用实例以及面临的挑战。最后，结合以往的微反应器研究，对于未来气液两相体系下微反应器技术面临的挑战和发展趋势进行了展望。

下弯管直弯比对新型密排式液-固循环流化床换热器稳定流态化性能的影响

张鑫镝赵杰郭建华张卫义

过程工程学报. 2024, 24(9): 1016-1026. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224055

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在液-固循环流化床换热器中，两相流流态化流动的稳定性和均匀性不仅反映了换热器防垢除垢效果，还直接影响换热器的换热效率。为了提高流化床换热器的换热效率，探求床层内颗粒流动规律，在传统液-固循环流化床换热器中应用了新型密排式下流化箱结构并完成了稳定运行实验。基于实验结果，对采用计算颗粒流体力学方法(CPFD)模拟的流场分布结果进行有效性对比，实验结果与模拟结果的误差在10%以内，验证了模拟方法的可靠性。采用CPFD方法对下弯管直管段长度与弯曲半径之比进行了优选，下弯管直管段与弯曲半径之比为5:1时，液-固循环流化床换热器的除垢效果最佳，换热效率最高。

烟气再循环率对水泥回转窑加热过程的影响

张蕊于庆波娄一荻

过程工程学报. 2024, 24(9): 1027-1035. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224015

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为降低水泥回转窑加热过程中CO2和NOx的排放，引入一种清洁燃烧技术：烟气再循环技术。针对某2500 t/d水泥回转窑建立物理和数学模型，利用CFD软件对窑内加热过程进行数值模拟，考察了常规空气燃烧和烟气再循环燃烧两种燃烧方式对窑内温度场、流场、浓度场、NOx排放量及生料分解率的影响。结果表明，烟气再循环技术可降低窑内最高温度，最高降幅达13.6%。随着烟气再循环率增加，窑内高温区面积逐渐减小，但平均温度几乎不变，说明此技术在减少局部高温区的同时，仍能使窑内平均温度满足水泥生产的温度要求。烟气出口的CO2浓度提高了45.4%，烟气出口的NOx浓度由235.7 mg/m3降至39.4 mg/m3，NOx排放量减少了83.3%，说明该技术既有利于CO2的捕集利用，又能有效降低水泥行业NOx的排放。生料分解率虽降低了8%，但仍保持在90%以上，能满足水泥生产的产量要求。

真实气体效应对气波波动和能量传递过程的影响

高凤周一卉刘志军胡大鹏黄兆锋

过程工程学报. 2024, 24(9): 1036-1046. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224004

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气波制冷机通常根据理想气体模型进行设计与制造。随着天然气藏的操作参数逐渐向高压力、高压比工况下发展，真实气体效应已不容忽视。以新疆塔里木盆地牙哈气田真实天然气藏为介质，选取多参数BWR方程，建立了高压比条件下双开口气体波制冷机的二维计算模型，深入探讨了非连续边界条件下气波制冷机内真实气体效应对气波波动和能量传递过程的影响规律。数值计算结果表明，在不同工况下，理想甲烷和真实天然气的波系运动相似，但真实天然气的压缩波和膨胀波明显滞后于理想甲烷。真实天然气低温介质比理想甲烷更早完全排出，在低转速工况下两者之间的差异随着压比增加而逐渐增大，当压比为6时，低温端口的长度可以缩短56.5%。排出的真实天然气温度低于理想甲烷，因此真实天然气等熵膨胀制冷效率优于理想甲烷。本研究成果揭示了真实气体效应对气波运动和能量传递的影响，可为用于天然气地面工程的气波制冷机优化设计提供了支持。

多级挡板对横流鼓泡床颗粒停留时间分布影响的数值模拟

屠楠王驰宇刘晓群刘家琛方嘉宾

过程工程学报. 2024, 24(9): 1047-1057. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224030

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基于欧拉双流体模型耦合组分输运方程对三维横流矩形鼓泡流化床内气固两相流动行为进行了数值模拟，在挡板数1~13范围内探究了挡板形式(溢流板、底流板和侧流板)对颗粒流动状态及停留时间分布的影响规律。使用颗粒再循环率ˉR评估了流化床内腔室间的颗粒输运行为。结果表明，三种挡板形式均能提高床内颗粒停留时间的均一性，减弱颗粒返混，且颗粒流动随挡板数量增加趋于平推流，增加挡板数量有利于延长颗粒平均停留时间；采用侧流板可使床内形成横向固含率梯度，而底流板则使各腔室内出现“左低右高”的局部固含率梯度，表明挡板形式影响了颗粒输运行为的驱动力；此外，溢流床具有更高的颗粒再循环率，颗粒逆流现象严重，侧流板和底流板则能更好调节腔室间的颗粒输运行为，三种挡板形式下的颗粒再循环率均随挡板数量增加呈现降低趋势，而挡板数量对底流床的颗粒再循环率影响更大。

渣层对中间包内宏观流动及渣/钢界面附近速度的影响

王天扬陈超陶鑫王佳耿梦姣宋锦涛李林博范晋平林万明

过程工程学报. 2024, 24(9): 1058-1069. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224058

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中间包渣层对内部宏观流动的影响往往被忽略，且针对中间包渣/钢界面下方速度的研究较少。本工作以单流无控流装置中间包为研究对象，在水模型中使用墨水和盐水示踪剂研究宏观流动现象，并使用粒子图像测速(PIV)技术测定水油界面下方以及中间包内部区域的速度分布，从而探究油层对中间包内宏观流动以及水油界面处流场的影响。结果表明，油层对中间包内示踪剂在底部的传输和扩散有促进作用，油层的存在减缓了水油界面处墨水传输过程。无油层方案中墨水向上传输趋势明显，而含油层方案中墨水主要沿底部进行传输，与无油层方案相比，墨水从出口流出的时间有所缩短。在盐水示踪剂实验中，含油层方案的RTD曲线相比无油层方案整体向左偏移，盐水溶液较早地流出中间包出口。对于整体流场，无油层方案的速度基本都大于含油层方案速度。在靠近出口和右侧壁面的区域，存在局部速度含油方案略大于无油方案的情况，油层对流体的阻滞作用变弱。对于油层方案，靠近长水口区域的垂直速度最大，随着与水油界面距离增加，垂直速度有所增加。在靠近右侧壁面的区域中，水平速度最大，但其随液面高度变化较小。

混合颗粒系消光模型及反演研究

邓飞苏格毅黄茜孙存金苏明旭

过程工程学报. 2024, 24(9): 1070-1079. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224054

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在单一颗粒系中，消光光谱法颗粒粒径测量模型通常基于Mie散射理论和朗伯-比尔定律(Lambert-Beer Law)构建。但由多种颗粒物构成的混合颗粒系消光特性更为复杂，颗粒粒径及分布、折射率、颗粒配比均会影响消光谱，传统模型不再适用。本工作将消光截面按混合比等效，构建了一种混合颗粒消光模型。对于多种混合颗粒系进行消光谱数值计算，将混合颗粒系分为单分散和多分散两种情况，分别探讨了颗粒粒径、折射率、混合比及分布参数对消光光谱影响规律。研究了混合颗粒系粒径、分布参数和混合比多参数同步反演问题，搭建消光谱测量系统并配置混合比为0.25, 0.5及0.75的二氧化硅和聚苯乙烯混合颗粒悬浮液进行实验，采用改进差分进化算法对实验谱进行反演。结果表明，混合消光模型预测与实验消光谱吻合，均方根误差小于0.08；实现了在不同混合比条件下多分散混合颗粒系的多参数同步反演，粒径和混合比的最大反演误差绝对值分别为7.44%和7.48%，均小于单分散假定时混合颗粒系参数反演误差绝对值，分布参数结果较好地反映了实验样品颗粒粒径分布较窄的特点。

SiO/C浆料稳定性及半干法匀浆工艺研究

刘峰卢诚

过程工程学报. 2024, 24(9): 1080-1087. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223365

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硅负极因其极高的比容量成为高能量密度锂电池的研究热点，目前硅氧已实现批量生产和应用。锂离子电池的性能、寿命和一致性与其电极性能直接相关，匀浆是电极生产中的关键工序。本工作研究了硅氧碳负极(SiO/C)浆料的稳定性并考察了半干法匀浆工艺，对比了碳含量分别为1.6wt%和3.1wt%的SiO/C-1和SiO-2在水系浆料中的稳定性。SiO/C-1在水中产气明显，原因为Si在碱性条件下与H2O反应生成H2，而SiO/C-2浆料无产气，浆料和极片状态较好。SEM, EDS, TEM等表征结果表明SiO/C-2表面存在厚度20~30 nm均匀的碳包覆层，可阻隔水分并提高稳定性。为提高硅负极浆料稳定性并提高匀浆效率，研发了半干法匀浆工艺，对浆料固含率、黏度、细度、流变、产气等参数进行了测试，对极片剥离力、电阻、电镜下的微观形貌以及电池循环性能进行了考察，结果表明优化后的半干法匀浆工艺制得的浆料固含量为51.8wt%，黏度为4900 mPa?s，细度为20 μm，浆料静置24 h后黏度为10 000 mPa?s，浆料48 h基本无产气，制作负极片剥离力为15 N/m，电阻率为0.106 Ω/cm，搭配高镍NCM(Ni9)制作的330 Wh/kg软包电池高温循环寿命可达800周，明显优于普通湿法工艺。

等离子体处理油基钻屑技术研究

庞会中丁飞姜婷李保强袁方利

过程工程学报. 2024, 24(9): 1088-1095. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224066

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等离子体具有温度高、能量密度大、反应气氛可控等特点，在处理油基钻屑危废中具有明显优势。本工作采用等离子体技术进行油基钻屑的无害化处理，拟通过等离子体技术，将油基钻屑转化为环境友好的玻璃态物质，从而实现油基钻屑的无害化处理。首先通过热处理工艺测试油基钻屑中的含水率和含油率，并掌握油基钻屑的基本物化特性；进而将油基钻屑直接送入等离子体弧中进行处理，并对处理前后油基钻屑的显微形貌、相组成及粒度分布等特性进行表征；最后考察了外加二氧化硅粉体对等离子体处理油基钻屑效果的影响。结果表明，油基钻屑主要由BaSO4、结晶SiO2和CaCO3构成，经过等离子体处理后，油基钻屑的形貌和结构均发生显著变化，产物在2θ衍射角20°~35°的范围内存在明显的宽分布鼓包峰，粉体中的玻璃体含量达到43.8wt%；通过添加SiO2提升油基钻屑处理后的玻璃体含量，当SiO2添加量为40wt%时，产品中玻璃体含量达到最高，为83.3wt%；同时产物浸出液中的金属元素浓度，如Cu, As, Cd, Ba, Fe等均明显下降。因此，等离子体处理技术对于油基钻屑的无害化处理具有显著的效果，具有良好的应用前景。

Ensifer adhaerens CAS22-03发酵工艺优化及D-p-HPG的酶法制备

何然峰杨宇宋显炳李小连王自强王鹏王云山

过程工程学报. 2024, 24(9): 1096-1105. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224040

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为了研究Ensifer adhaerens CAS22-03来源的D-海因酶(D-Hase)与N-氨甲酰水解酶(D-Case)表达活性的影响因素，提高Ensifer adhaerens CAS22-03全细胞催化制备D-对羟基苯甘氨酸(D-p-HPG)的效率，本工作采用单因素试验和正交试验优化了Ensifer adhaerens CAS22-03发酵培养基的碳源、氮源，建立了Ensifer adhaerens CAS22-03的分批补料发酵工艺，分析了D-Hase和D-Case的酶学特性，开发了基于Ensifer adhaerens CAS22-03全细胞催化的D-p-HPG酶促生产工艺。结果表明，Ensifer adhaerens CAS22-03的最适碳源和氮源为蔗糖和酵母浸粉，分批补料发酵过程中，D-Hase和D-Case的活性高达243.6和55.8 U/g，分别提高了56.9%和46.4%。D-Hase和D-Case的最适反应温度均为45℃，最适反应pH分别为9和8。Ensifer adhaerens CAS22-03全细胞催化制备D-p-HPG的过程中，当底物浓度为40 g/L、酶用量为底物:菌体=5:1时，40℃，200 r/min条件下反应10 h，底物转化率达到95%以上，本工作的研究结果为D-p-HPG的工业酶法生产奠定了基础。

碳酸氢钠改性生物炭的制备及其吸附水中卡马西平的机理分析

张继欢张晋玮武文龙林嗣强李燕丁磊

过程工程学报. 2024, 24(9): 1106-1119. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223363

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本研究以农业废弃物丝瓜络为原材料，采用碳酸氢钠为活化剂，通过浸渍-热解法制备出了可高效吸附水中卡马西平(CBZ)的碳酸氢钠改性生物炭(SBC)，并通过表征手段分析了其表面形貌、孔径分布、官能团、石墨化程度等物理化学特征。通过批量实验研究了温度、投加量、pH等因素对SBC吸附水中CBZ的影响。结果显示，相比原始生物炭(BC)，SBC有着更高的比表面积531.43 m2/g和更丰富的孔径结构。CBZ的去除效率随着SBC投加量的增加而增加。溶液pH对CBZ去除的影响不明显。Sips模型可以更好地描述SBC对CBZ的吸附平衡规律，在298 K时的吸附容量可达125.52 mg/g。热力学分析表明SBC对CBZ吸附为自发吸热过程，且以物理吸附过程为主。通过对SBC的位点能量分布分析和密度泛函理论分析进一步探究了SBC对CBZ的增强吸附机理。结果显示氢键、π-π电子受体-供体和孔填充作用参与了SBC吸附CBZ的过程。甲醇可有效再生吸附饱和的SBC，经过四次吸附脱附循环后，SBC对CBZ的吸附量仍保持在68.132 mg/g。本工作以农林废弃物丝瓜络为炭源制备生物炭去除水中污染物，为同时实现农业废弃物资源化和消减环境污染提供了一条可行途径。

矿物基胶凝材料对酸性重金属污染土壤原位修复

李圣军李家茂华磊李正昊徐亮樊曦樊传刚

过程工程学报. 2024, 24(9): 1120-1126. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223344

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针对向山3#塘土壤Cu和Mn重金属超标和pH低等问题，以矿物基复合胶凝材料作为胶结材料，制备了一系列原位淤泥固化试样，研究固化剂掺量对淤泥固化试样无侧限抗压强度、抗渗透性能、pH值、重金属浸出的影响，并对污染土壤原位修复的机制进行初步探讨。结果表明，当固化剂掺量为7.5wt%时，淤泥固化试样(28 d)的无侧限抗压强度为1.03 MPa，使得3#塘淤泥质土壤具有一定的强度，可进行资源化利用。试样渗透系数为1.436×10-5 cm/s，其浸出液中Cu和Mn离子含量分别为0.058和0.021 mg/L，浸出浓度远低于标准限值，离子的固定率分别为96.13%和99.90%。pH增大和水化产物C-S-H、AFt的生成可以有效地改善土壤中Cu和Mn离子的稳定效果。

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