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2023年 第23卷 第9期    刊出日期：2023-09-28

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过程工程学报. 2023, 23(9):  0. 

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综述

锂硫电池中多硫化锂捕获研究进展

胡婷婷 刘海建 陈云逸 刘伶俐 戴春爱 韩永生

过程工程学报. 2023, 23(9):  1231-1243.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222413

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锂硫电池具有超高的理论比容量(1675 mAh/g)和理论比能量(2600 Wh/kg)，并且单质硫在地球中的储量丰富、价格低廉、提取过程对环境友好，因此，锂硫电池被认为是未来储能系统的理想储能单元。然而，锂硫电池在充放电过程产生的多硫化锂中间体易溶于电解液，导致电解液的黏度增加，离子导电性降低。此外，溶解的多硫化锂通过在正负极之间迁移，与锂负极发生反应，产生严重的穿梭效应，造成活性物质硫的不可逆损失，极大地降低了电池的寿命和安全性，也阻碍了锂硫电池的商业化进程。近年来人们通过物理吸附、化学作用及外场约束等策略来攻关这一难题，并取得较好的结果。本文总结了物理、化学、外场三种捕获多硫化锂方法的研究进展，讨论了每种方法捕获多硫化锂的特点及其对锂硫电池电化学性能的影响，并对其未来发展进行了展望。

研究论文

耦合传质的CO₂气泡上升过程数值研究

裴东号 曾乐翔 高梦蝶 阮锦程 曹军

过程工程学报. 2023, 23(9):  1244-1255.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222385

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利用Volume of Fluid (VOF)法对静止水中CO2气泡的上升过程进行数值模拟，采用自定义程序考虑传质过程，研究了不同初始直径的气泡上升过程中瞬时速度、传质系数、CO2溶解量以及气泡传质尾迹的变化。结果表明，气泡上升过程中横向速度周期性变化并且随着气泡初始直径增大，振荡幅度减小，而纵向速度随气泡初始直径增大而增大。在初始直径3.5~6 mm的范围内，随着气泡初始直径增大CO2溶解量增大，其尾流表现为对称态、过渡态及周期性脱落三种状态。初始直径3.5~6 mm的气泡尾流发生转变的临界Re随着气泡初始直径增大而增大，其尾流周期性脱落的频率为17~22 Hz，且脱离频率随气泡初始直径增大而减小。气泡尾流与传质尾迹保持一致，随着气泡初始直径增大，气泡传质尾迹影响的范围也增大。

熔池对流对废钢熔化过程影响数值模拟研究

周小宾 滕宇 汪万行 岳强 朱正海

过程工程学报. 2023, 23(9):  1256-1267.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222403

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随着我国环保要求日益严格和废钢量的增加，转炉炼钢过程中对废钢的使用量将逐渐增加。因此，大量废钢加入转炉后废钢的熔化将是一个非常重要的问题。熔池中碳含量、熔池温度和熔池流动是影响废钢熔化的重要因素。本工作以废钢在铁水熔池中的熔化实验过程为研究原型，利用数值模拟方法对废钢熔化过程中熔池流动对废钢熔化的影响进行研究，主要考察了熔池自然对流和强制对流对废钢熔化过程的影响规律。结果表明，废钢浸入熔池后，熔池和废钢间的温差使界面附近区域产生自然对流，界面处的流动可以加速熔池和废钢间的传热，并驱动高碳铁水向熔化界面运动，加速熔化过程。废钢初始温度升高，熔池中产生的自然对流强度下降。当熔池中流动为强制对流时，废钢熔化速率大大提高。熔化进行到5 s时，初始温度为25℃时的废钢棒熔化速率为107 mm3/s，而初始温度为1000℃时的废钢棒熔化速率仅为50 mm3/s，不到前者的50%。在15 s时刻，自然对流作用下废钢熔化剩余量为1054 mm3，是驱动速度0.15 m/s下的2.3倍；在10 s时，强制对流驱动速度0.15 m/s时废钢的熔化速率约为自然对流下的1.8倍。

气波振荡管波系运动与能量传递效率影响机制研究

黄兆锋 周一卉 胡大鹏 刘志军 郭江涛 高凤

过程工程学报. 2023, 23(9):  1268-1279.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222434

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建立了双开口气波制冷机振荡管三维大涡模拟模型，获得了气波振荡管内波系运动特征。针对高压入射喷嘴与气波振荡管在高速旋转交汇过程引发能量损失的问题，探讨了气波制冷机操作参数和结构参数对能量传递效率的影响机制。数值计算结果表明，在两者切入-覆盖-切出的交汇过程中，伴随着强烈的涡旋和湍流动能耗散。定义瞬时湍流动能损失比R定量评定能量损失程度。研究发现，涡旋中心处R值较大，且随绝压压比增大先增大后减小，当绝压压比为3.61时达到最大值9.0%。R值随转速提高而减小，当转速由1100 r/min提高至2000 r/min时，涡旋中心处R值由10.7%减小至6.0%。远轴壁面和近轴壁面涡旋中心处R值都随着管道宽度增加而减小，近轴壁面涡旋中心处的R值大于远轴壁面涡旋中心处，且两侧差值最大达3.2%。减小入射绝压压比、提高转速和增加气波振荡管宽度有助于减小R值，从而提高气波制冷机能量传递效率，对大流量气波制冷机设计具有指导意义。

不同酿酒原料的白酒糟燃烧中NOx和CO的排放特性

李伟强 姜华伟 国洪帅 袁淼 左向黎 王翠苹 李延辉

过程工程学报. 2023, 23(9):  1280-1289.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222367

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白酒糟是酿酒过程中玉米、小麦和高粱等发酵后产生的残渣，在经过干燥后具有较高的热值，对其燃烧利用能够实现废弃酒糟处置的无害化、减量化和资源化。然而，不同酿酒原料的白酒糟在成分上存在差异，且含氮量一般较高，其燃烧产生的NOx属于酸性污染气体；酒糟的水分和挥发分也较高，燃烧过程中易产生CO等不完全燃烧产物。针对不同酿酒原料的白酒糟在燃烧过程中NOx和CO排放存在差异和排放规律不明确的问题，借助一维管式炉研究了玉米酒糟(CDGS)、小麦酒糟(WDGS)和高粱酒糟(SDGS)在不同温度和含水率下燃烧时的NOx和CO排放特性。研究结果表明，随着温度升高，3种白酒糟的燃烧反应加快，NOx排放浓度峰值出现的时间提前，NOx的排放浓度峰值和平均排放浓度增大；NOx排放量和氮转化率随温度升高呈现先升高后降低的趋势，且在700℃时达到最大值，SDGS, WDGS和CDGS的NOx排放量分别达到1.32, 1.64和1.89 mg，氮转化率分别达到12.4%, 15.6%和21.1%；随着温度升高，CO的峰值排放浓度和平均排放浓度均呈现先增加而后减少的趋势，且在600℃时达到最大；SDGS和CDGS的CO排放量在600℃时达到最大值，分别为20.27和19.80 mg，而WDGS的CO排放量在500℃时达到最大值，为20.20 mg。酒糟在700℃燃烧时，随着含水率增加，燃烧反应推迟，NOx排放浓度峰值和平均排放浓度均有不同程度的增加，氮转化率则无明显变化；而CO排放浓度峰值、平均排放浓度和排放量均增加。

基于串级模糊自适应PID的蒸发器温度控制系统设计

孙军 张典 黄青山 田亮 常天奇 刘琪

过程工程学报. 2023, 23(9):  1290-1299.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222320

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蒸发器温度控制存在时变性、非线性和滞后时间长等特性，传统控制方法难以实现温度的精确控制。通过对蒸发器的生产过程进行分析，提出了一种基于串级模糊自适应比例-积分-微分(PID)的蒸发器温度控制方法，将模糊控制理论和串级PID控制理论相结合，建立了主回路和副回路的模糊自适应PID控制连续功能图(CFC)，实现了对蒸发器温度控制的主回路和副回路PID参数的实时修正。采用SMPT-1000仿真设备和西门子PCS7过程控制系统的研究结果表明：PID参数实时修正后，比例参数加快了系统响应速度，积分参数减小了系统的偏差，微分参数起到了超前控制作用；温度响应的调节时间缩短二分之一，最大偏差降低幅度超过五分之四；温度提升负荷的调节时间缩短幅度超过五分之三，最大偏差降低幅度超过五分之四；过热蒸汽干扰的恢复时间缩短幅度超过二分之一，最低和最高温度偏差降低幅度超过十分之一。与传统串级PID控制方法相比，串级模糊自适应PID控制具有调节时间短、超调量小、鲁棒性好等优势，克服了传统串级PID的不足，为解决蒸发器温度精确控制提供了一种有效途径和方法。

基于神经网络预测的锌挥发率影响机制分析

昝智 张晨牧 伍继君 石垚 刘朗明 刘卫平 庄才备

过程工程学报. 2023, 23(9):  1300-1312.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222390

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浸出渣回转窑煅烧回收锌、铟等有价金属是湿法炼锌行业资源绿色循环的关键环节，呈现多因素耦合、大时滞等特点，能耗高、锌挥发率不稳定，快速优化调控困难。以国内30万吨/年锌浸出渣回转窑煅烧工程为研究对象，在工况参数灰色关联度定量分析的基础上，引入粒子群算法优化建立BP神经网络锌挥发率预测模型，结合反应机理和单因子情景分析法，重点考察了焦粉投入强度、温度和浸出渣关键组分对锌挥发率的影响规律。结果表明，焦粉投入强度对锌挥发率影响显著，关联系数达0.842；同时，锌挥发率预测模型R2达0.987，整体误差≤±0.6%；焦粉投入强度、窑尾温度和浸出渣含Fe率最优模拟调控值分别为0.60 t/t, 680℃和23wt%。本研究可为湿法炼锌行业锌浸出渣绿色高质循环利用的优化控制提供理论指导和技术支撑。

CO₂微气泡强化纳米碳酸钙的制备及传递-反应分析

王立恒 管小平 杨宁 牟祖泽

过程工程学报. 2023, 23(9):  1313-1324.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222450

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控制碳酸钙的粒径大小和粒径分布是碳化法制备高质量纳米碳酸钙的关键。采用间歇鼓泡碳化法制备纳米碳酸钙，考察了操作参数(气体流量、初始浆料浓度)、气泡类型(普通气泡、微气泡)对碳酸化反应速率和沉淀碳酸钙的粒径大小及分布的影响规律，同时深入分析了反应过程中稳定区和突变区随气泡类型的变化规律。结果表明，在使用普通气泡时，增加二氧化碳气体流量有利于二氧化碳的吸收和碳酸钙粒径的减小；在小塔中使用普通气泡，随着初始浆料浓度增加，在低浓度下，减小碳酸钙粒径，当浓度升高到一定程度后，对反应时长和物质混合的影响会促进晶体增长，使碳酸钙粒径增加。采用微气泡后会显著减小沉淀碳酸钙的粒径，同时，二氧化碳气体流量不再影响碳酸钙的粒径分布，表明气液传质过程不再是控制步骤。

镍铬混合型氧化矿硫酸铵焙烧物料的溶出及溶出动力学

张瀚文 王亮 韩明宇 申晓毅 刘岩 翟玉春

过程工程学报. 2023, 23(9):  1325-1332.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222332

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镍是国防、航空航天、能源、交通运输、石油化工等领域不可缺少的资源，也是我国最重要的战略有色金属之一。随着镍需求增加，硫化镍矿资源迅速减少，趋于枯竭。氧化镍矿资源丰富、开采成本低，其作为镍冶炼资源的开发利用日趋受到关注。为了更好地利用含铬氧化镍矿，有必要开展镍铬混合型氧化矿中有价组元提取分离的研究。本工作考察了溶出液固比、溶出温度、溶出时间、搅拌速率对镍、铁、镁溶出率的影响，确定了合适的水溶出工艺条件。考察了硫酸铵焙烧镍铬混合型氧化矿的焙烧物料中镍、铁、镁溶出过程的动力学。采用硫酸铵焙烧镍铬混合型氧化矿，在铵矿配比1.7:1、焙烧温度748 K、焙烧时间2 h条件下得到焙烧物料，以焙烧物料为研究对象，考察了各因素对焙烧物料中镍、铁、镁溶出效率的影响。适宜的溶出条件为：溶出温度353 K、溶出时间60 min、液固质量比5:1、搅拌速率500 r/min。在此条件下，镍、铁、镁的溶出率分别为94.3%, 88.7%和84.9%。焙烧物料中镍、铁、镁的溶出均可分为0~15 min和15~40 min两个阶段，均受无固体产物层生成的外扩散控制。

重组人鼻病毒3C融合蛋白酶的安全性研究

刘玉莹 伍树明 姜绪林 银飞 沈迩萃 张贵锋 张红彩 张海江 刘永江

过程工程学报. 2023, 23(9):  1333-1339.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222329

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为了评价重组人鼻病毒3C融合蛋白酶(GST-3C)的安全性，本工作通过单次给药毒性试验和免疫毒性试验对GST-3C的毒性进行了研究。设置一个给药组，准备雌雄ICR小鼠各10只，采用最大给药量法，分别尾静脉注射GST-3C，单次给药最大给药剂量为25.25 mg/kg；实验另设一个生理盐水对照组。给药一次，观察ICR小鼠的中毒症状、中毒程度、性质、恢复情况和死亡等，并在观察期结束对动物及时进行解剖，观察GST-3C对小鼠脏器的影响。对免疫毒性进行试验，50只小鼠随机分为5组(溶剂对照组、环磷酰胺阳性对照组、含佐剂GST-3C低剂量组、含佐剂GST-3C高剂量组和不含佐剂GST-3C对照组)，通过迟发型超敏反应方法，计算脾指数、胸腺指数和肿胀度，观察GST-3C对迟发超敏反应的影响；40只小鼠随机分为4组(溶剂对照组、含佐剂GST-3C低剂量组、含佐剂GST-3C高剂量组和不含佐剂GST-3C对照组)，通过溶血空斑试验方法，对溶血空斑计数，评价其对小鼠体液免疫功能影响。单次给药毒性试验结果表明，和生理盐水对照组相比，实验组小鼠体重差异并不明显，给药组动物脏器均未发现异常表现情况。在本次试验条件下，ICR小鼠静脉注射GST-3C单次给药的最大耐受剂量(MTD)大于25.25 mg/kg。免疫毒性试验结果表明，给药期间，与溶剂对照组比较，GST-3C给药各组动物体重未见显著降低，动物笼旁观察未见与给药相关的异常变化，迟发超敏试验和溶血空斑试验结果分别显示GST-3C对动物的细胞免疫功能和体液免疫功能均无抑制作用，为评价GST-3C的安全性提供了依据。

代谢工程改造大肠杆菌生产戊二酸

张芝兰 高聪 郭亮 陈修来 魏婉清 吴静 宋伟 刘立明

过程工程学报. 2023, 23(9):  1340-1350.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222453

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戊二酸是一种重要的中间体，在化工、农业和医药等领域有着广泛的用途。目前，戊二酸的生物合成途径存在合成路径冗长、辅因子消耗多和产物得率低等问题。为开发高效的戊二酸合成方法，将酶工程和代谢工程相结合，构建了一条以葡萄糖为底物生产戊二酸的新途径。首先，通过数据库挖掘设计了一条由赖氨酸α氧化酶(LO)、单胺氧化酶(MAO)、α-酮酸脱羧酶(KDC)和醛脱氢酶(ALDH)组成的新型催化途径，引入赖氨酸生产菌株E. coli CCTCC M2019435后实现了戊二酸的从头合成；为进一步提高该路径的合成效率，针对路径的限速酶KpALDH进行理性分析和蛋白质改造，使酶的催化效率提高了66.5倍；在此基础上，通过代谢工程强化限速酶KpALDH的表达并阻断副产物乙酸代谢支路，使戊二酸得率提高了2.0倍；最后，优化戊二酸发酵条件，发酵结束时戊二酸产量提高到62.0 g/L，生产强度和得率分别达到1.6 (g/L)/h和0.3 g/g葡萄糖。

基于SSAE-FCM的燃料乙醇分批发酵关键时间节点自动识别

田晓俊 王梦 刘小辰 郑淏月 林海龙 刘劲松 杨萌 温广瑞

过程工程学报. 2023, 23(9):  1351-1358.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222382

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生物工程日趋复杂化和智能化，其生产过程也从实验室向工业化规模快速发展，给生物工程过程控制优化带来了新的挑战。本工作以燃料乙醇分批发酵这一复杂过程为研究对象，提出了一种基于堆叠稀疏自编码器(SSAE)和模糊C均值聚类(FCM)相结合的燃料乙醇分批发酵关键时间节点自动识别方法。通过SSAE由低到高逐层提取发酵过程原始数据中更能反映数据本质属性的各级高层特征，并将其作为FCM算法的输入数据，最终构建燃料乙醇分批发酵关键时间节点自动识别模型。为评估模型性能，以国投生物燃料乙醇发酵过程为应用对象，结果表明，本工作所提出的方法具有可操作性。同时，与基于动力学模型和过程多参数相关性分析方法对比，本工作所提方法具有更优的识别性能。

基于复炸油的微藻采收方法及其作用机理研究

文豪 秦微 尹鸿伟 王玥 吴美丽 刘旭 孔小敏 章浩文 张自阳 郑曦晨

过程工程学报. 2023, 23(9):  1359-1370.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222471

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随着现代能源发展，使用清洁、可再生的新能源逐渐成为解决环境和能源问题的主要思路。在众多新能源中，生物质能不仅可以降低温室气体排放，还具有良好的可再生特性，小球藻作为一种理想的制备生物质能，不仅生长速度快，且油脂含量高。但因其密度与水接近而导致采收困难，这也成为制约微藻产业发展的主要原因之一。以浮珠浮选法为基础，提出一种以复炸油乳化液为浮珠的浮选法用于采收小球藻，即将复炸油与纯水按照一定比例在乳化剂作用下充分乳化，并结合响应面法，筛选出影响采收率的显著因素为pH、搅拌速率和原藻体积占比；影响富集比的显著因素为pH、浮选时间和原藻体积占比；同时结合多目标优化结果得出最佳采收率和富集比分别为92.79%和2.07%。以小球藻为研究对象，获得复炸油采收微藻机理：微藻与浮珠在铝盐的作用下，通过吸附电中和及桥接作用形成聚合体；微藻与浮珠首先在搅拌提供的动能作用下相互靠近，之后在范德华力作用下发生黏附，在14.73 nm时引力作用达到临界值。在最佳采收条件下，处理成本仅为4.38元/吨，降低采收成本和能耗的同时也为复炸油再利用提供了一种新方法。