过程工程学报

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过程工程学报. 2024, 24(2): 0.

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多孔生物质碳材料的制备及其在超级电容器中的应用研究进展

张学民贺冠宇尹绍奇黄婷婷李金平郑健

过程工程学报. 2024, 24(2): 127-138. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223036

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生物质碳材料是一种绿色环保可再生的能源材料，对其高效利用对实现能源环境的可持续发展和能源绿色低碳转型具有重要意义。生物质碳材料具有多孔性、官能团丰富、比表面积大、电化学性能优异、成本低廉和可再生的特点，广泛应用于能源存储与转化、催化、吸附等诸多领域。然而，生物质碳材料的性质不仅与微观结构密切相关，而且杂原子掺杂对生物质碳材料的结构及电化学性能具有重要影响。实现生物质碳材料结构的精准调控是提高其电化学性能的有效途径。本工作全面综述了生物质碳材料的制备方法及其在超级电容器中的应用研究进展，讨论了多孔生物质碳材料结构与性能之间的关系。在此基础上，深入分析了不同条件、不同制备工艺(如材料的选择、材料的处理和活化方式)等因素对多孔生物质碳材料结构特性的影响机理及其规律；详述了多孔生物质碳材料结构特性对电化学性能的影响机制及其规律，分析了多孔生物质碳材料制备过程及其性能调控尚待完善和改进的地方。最后，指出了未来多孔生物质碳材料制备工艺及其电化学性能研究的主要发展方向。

退役动力电池回收利用的现状及碳核算研究进展

赖志颖赖文斌林楚园何灵均林慧肖富玉钱庆荣张继享陈庆华曾令兴

过程工程学报. 2024, 24(2): 139-150. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223195

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新能源汽车行业的蓬勃发展促使动力电池报废量大幅上涨，产生数量庞大的固体废物。通过梯次利用和回收再生对退役动力电池进行再利用不仅能够实现有价金属的资源化再利用，还可降低碳排放和生产成本，是推进循环经济发展和资源集约利用的关键环节，对于落实“双碳”战略和推进生态文明建设具有重要意义。目前，研究领域内已发布大量与退役电池相关的文献和资讯，汇总行业关键信息，为业内人员提供参考十分有必要。为此，本综述立足行业现状，讨论了退役动力电池不同回收利用方式对环境和经济的影响，同时，分析回收利用现状并归纳研究进展，提出退役动力电池碳排放核算方法，指出回收的必要性和可行性，为建设无废城市和实现“双碳”目标提供借鉴。希望电池回收行业未来能够在国家的宏观调控下，结合高效绿色的回收技术和相关标准规范实现健康有序发展。

弗氏盐法废水除氯产物资源化及二次利用进展

顾云储鹏葛冬冬黄寿强蒋敏吕红映张文欣吕杨杨吕扬张雅珩

过程工程学报. 2024, 24(2): 151-161. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223122

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废水中高浓度氯离子不仅会腐蚀工业设备，还易污染水环境。目前，已报道了一系列去除废水中氯离子的技术，如膜分离或浓缩、蒸发结晶、化学沉淀、吸附、离子交换、电解、氧化和溶剂萃取等。化学沉淀法在设备投资和可操作性等方面具有较大的优势，其中，相对于基于银、铜或铋等除氯方法，弗氏盐沉淀除氯法因所用原料来源广、价格低而得到广泛研究。但弗氏盐沉淀除氯后会产生大量的化学污泥，这些污泥主要含有弗雷德盐(3CaO?Al2O3?CaCl2?10H2O)、加藤石[Ca3Al2(OH)12]和氢氧化钙等，成分复杂，循环再生难。为使弗氏盐沉淀除氯法能够推广应用，对其除氯产物，特别是其中的弗雷德盐进行资源化再利用至关重要。本工作在介绍弗雷德盐成分结构特性的基础上，通过比较弗雷德盐不同制备方法，突出弗氏盐沉淀法(如超高石灰铝法和钙铝石法)既能去除氯离子又能得到弗雷德盐的优势。根据弗雷德盐含铝和钙成分和层状双金属氢氧化物结构特性，可进行有效的资源化利用，包括去除各类重金属阳离子(如Cu2+, Cd2+, Co2+, Zn2+, Pb2+)和含氧阴离子[如Sb(OH)6-, AsO43-, SeO42-, CrO42-)，并制备聚合氯化铝混凝剂、作为污泥脱水调理剂等，这些用途都具有广阔的应用前景，为弗氏盐沉淀除氯法的进一步发展提供借鉴和探索方向。

基于多块和自注意TCN结合的冷水机组故障诊断

孙雨丁强夏宇栋李聪

过程工程学报. 2024, 24(2): 162-171. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223174

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针对冷水机组故障运行数据特征参数耦合且时序特征难以提取的问题，提出一种基于多块和自注意时间卷积网络(Multiblock Self-attention Temporal Convolutional Networks, MB-SATCN)的故障诊断模型。该模型根据冷水机组传感器与系统结构的物理关系将变量划分为多个子块，在子块中使用TCN挖掘冷水机组运行数据的特征信息，并通过自注意力层加强关键特征对故障诊断结果的影响权重，然后将各子块模型输出的局部特征利用自注意力机制加权融合以构建全局特征，并使用softmax函数进行分类。与对照方法相比，MB-SATCN方法在冷水机组常见故障诊断方面表现更优，对系统故障识别能力更强，平均故障诊断精确率和平均召回率均在97%以上。

典型扭曲管内传热与流动阻力性能对比分析

周西文陈森王旭鹏朱慧杰李修真

过程工程学报. 2024, 24(2): 172-181. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223131

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为对比分析典型扭曲管内传热及流动阻力性能，以指导优化设计新型扭曲管，基于实验验证，采用数值计算方法，研究了典型横截面形状的扭曲管内流体在低雷诺数时的换热特性。结果表明，扭曲管的规律性螺旋形变诱导其内流体产生周期性螺旋流动，在垂直主流方向上产生二次流，增强了温度梯度与速度矢量间的协同程度，使得扭曲管的传热性能强于等横截面周长的普通圆管；在雷诺数为650~1550时，对流传热系数由高到低对应的换热管依次为扭曲三角形管、扭曲矩形管、扭曲椭圆管、扭曲方形管和普通圆管，扭曲三角形管的对流传热系数和流动阻力损失分别比普通圆管增大1.94~1.97倍和2.96~3.06倍，扭曲管的综合传热性能均优于普通圆管，扭曲三角形管的综合传热性能评价因子是最高的，平均约为1.86，其余依次为扭曲矩形管、扭曲椭圆管和扭曲方形管，扭曲三角形管具有最优的对流传热性能。

弯曲流线型涡发生器强化矩形直通道传热特性

张丽张凯丽张莹李雅侠张静

过程工程学报. 2024, 24(2): 182-192. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223101

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提出了一种弯曲流线型(CSWP)涡发生器，采用数值模拟方法对安装弯曲流线型涡发生器的矩形直通道内的传热特性进行了研究，对弯曲流线型涡发生器的综合强化效果进行了评估，考察了弯曲流线型涡发生器形状、安装位置和数量对传热性能的影响，分析了压力和涡量分布，揭示了强化机理。结果表明，在Re=4000~26 000时，与平面三角翼(PDWP)涡发生器相比，弯曲涡发生器可以有效降低流动阻力，从而具有较高的综合传热性能。与弯曲矩形(CRWP)和弯曲梯形(CTWP)涡发生器相比，CSWP涡发生器具有更好的综合强化效果。当攻角一定时，涡发生器前缘倾角越小，数量越多，综合强化效果越好。CSWP涡发生器具有的流线型外缘结构能够显著降低流动阻力，并能够提高速度场与温度场之间的协同性，是其具有较高综合强化效果的原因。

基于粒子图像测速技术的快速流态化颗粒速度分布函数分析

肖冬胡善伟刘新华张丽

过程工程学报. 2024, 24(2): 193-206. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223133

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量化非均匀气固流动特征对流化床反应器的设计和优化具有重要意义。反应器内颗粒团聚物的形成和演化使得系统远离平衡状态，从而导致颗粒速度分布呈现非麦克斯韦分布特征。本工作利用自适应粒子图像测速(PIV)、粒子追踪测速技术(PTV)及数字图像处理(DIA)相结合的实验研究方法，对快速流化床中的颗粒运动特性和速度分布函数进行统计分析。研究发现，无论在沿重力方向还是水平方向，颗粒速度分布函数均明显偏离麦克斯韦分布，而呈现偏峰长拖尾或双峰分布特征。使用双峰分布函数可以较好地拟合不同实验条件下的颗粒速度分布。进一步探讨了颗粒速度分布函数的各向异性和非麦克斯韦分布的影响因素，发现颗粒速度分布函数偏离理想分布的程度与颗粒团聚程度、局域颗粒速度脉动量及颗粒浓度脉动量大小正相关。这说明颗粒团聚物的形成和演化使气固流化系统远离平衡态，从而导致颗粒速度分布呈现非麦克斯韦分布特征。最后结合能量最小多尺度(EMMS)模型对稀密相结构进行解析，并与实验获得的速度分布函数进行了对比，发现实验结果符合EMMS模型的稀密相共存假设，证明了采用双峰分布对颗粒速度分布函数进行近似在理论上可行。

SVQS系统提升管末端上部空间不同消涡板结构的数值研究

杨文武秦岭胡紫维王祥宇李浩张智亮

过程工程学报. 2024, 24(2): 207-217. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223173

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It was found that an unstable vortex zone existed in the upper space at the end of the riser of the super vortex quick separation (SVQS) system, which delayed the rapid draw-off of oil and gas and increased the risk of safe system operation. The velocity fields of SVQS system without vortex elimination plate, SVQS system with additional curved vortex elimination plate and SVQS system with new vortex elimination plate were analyzed, and it was found that the new vortex elimination plate improved the velocity field of the system, which in turn affected the separation performance of the system. The new vortex elimination plate reduced the pressure drop and the energy loss of the system without reducing the separation efficiency of the SVQS system. The concept of oil and gas residence time was introduced to analyze the specific residence time of oil and gas in the SVQS system, and it was found that the vortex elimination plate could reduce the residence time of oil and gas and fine particles in the system, and the residence time of oil and gas in the SVQS system with the addition of the new vortex elimination plate was smaller than that in the SVQS system with the addition of the curved vortex elimination plate. A comprehensive comparison revealed that the structure and performance of the new vortex elimination plate was superior and more informative for industrial applications.

氟化氢在氧化铝表面吸附机理的Al8O12团簇模型量子化学计算

谭雅婕胡宪伟杨酉坚刘爱民石忠宁汤帅王兆文

过程工程学报. 2024, 24(2): 218-226. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223059

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使用密度泛函理论(DFT)对氟化氢分子在由四个氧化铝分子组成的笼状团簇结构表面的吸附行为进行了研究。对吸附过程进行了模拟，并计算了吸附结构、能量以及键级的变化。结果表明，氟化氢分子发生了化学解离吸附，其总吸附能为-267.5 kJ/mol，该吸附过程为强吸附。整个吸附过程分为两个阶段，首先氟化氢分子解离，解离后的氟原子和氢原子分别吸附在三配位铝及其相邻的氧上；然后氢原子向双配位氧转移，跨越势垒，最终吸附在双配位氧处，而氟原子始终吸附在三配位铝处。

大孔树脂对镍钴萃取废水中有机物的吸附性能

向波刘晨明曹仁强段锋李玉平

过程工程学报. 2024, 24(2): 227-237. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223029

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镍钴溶剂萃取废水属于含高盐、高有机物废水，有机物不仅造成化学需氧量(COD)超标、还会引起蒸发结晶过程起泡、结晶困难和产生废盐等问题，严重制约废水近零排放。本研究通过对比四种典型大孔树脂的微观结构以及对镍钴溶剂萃取废水中有机物的吸附性能，探究了大孔树脂的结构与吸附性能之间的关系。研究发现，具有合理孔径分布和较大比表面积的ORZ-A2型树脂的吸附容量最优，单级静态吸附总有机碳(TOC)去除率为70.79%，总磷(TP)去除率为83.11%。通过GC-MS表征吸附前后镍钴溶剂萃取废水中的有机物组成，发现废水中有机物成分主要是以2-乙基己酸为代表的有机磷萃取剂及其水解产物和衍生物。四种大孔树脂对有机磷酸萃取剂和2-乙基己酸吸附效果较好，但吸附出水中有机物主要为戊酸，以戊酸为代表的水溶性小分子有机物可能是影响TOC去除效果进一步提升的关键。通过吸附动力学分析表明，大孔树脂对有机物的吸附动力学符合准二级动力学模型。热力学参数的计算结果表明树脂对有机物的吸附是自发的、放热的物理吸附过程。本工作为指导大孔树脂吸附镍钴溶剂萃取废水中有机物技术的工业化应用提供了理论依据。

以磷酸酯盐离子液体作为萃取剂萃取精馏分离甲酸乙酯和乙醇共沸物

尹超跃杨帆张亲亲张志刚

过程工程学报. 2024, 24(2): 238-247. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223089

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以甲酸和乙醇为原料生产甲酸乙酯的过程中，未反应的乙醇与甲酸乙酯会形成共沸物，难以分离，本工作通过萃取精馏的方法，以离子液体作为萃取剂分离甲酸乙酯-乙醇共沸体系。通过COSMO-RS模型筛选离子液体，确定离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯([EMIM][DEP])和1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯([BMIM][DEP])，测定了甲酸乙酯+乙醇二元体系以及甲酸乙酯+乙醇+离子液体三元体系的气液相平衡(VLE)数据，并将实验数据与非随机双液体(NRTL)模型方程关联。最后，通过过量焓分析和σ-profile分析(表面电荷密度为σ的概率分布)探究了分离机理。结果表明，两种离子液体(ILs)摩尔分数越大，甲酸乙酯相对挥发度逐渐增强；在离子液体浓度为0.030时，甲酸乙酯对乙醇的相对挥发度大于1，同时可以看出[EMIM][DEP]的分离效果优于[BMIM][DEP]离子液体。通过过量焓分析得出离子液体与乙醇分子之间更易形成氢键与范德华力，其分子间相互作用强于离子液体与甲酸乙酯，从而促进甲酸乙酯与乙醇的分离；随着离子液体浓度的增加，分子间相互作用随之增强。最后，通过σ-profile分析得出离子液体更倾向于和乙醇相互作用，从而将甲酸乙酯分离出来，同时可以得出离子液体的阳离子碳链越短，分离效果越好。

助剂铜对全氟烯烃加氢反应负载钯催化剂性能的影响

张俊杰蒋连焘刘敏敏孟祥磊许光文刁琰琰

过程工程学报. 2024, 24(2): 248-258. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223108

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氢氟烃具有环境友好、低毒、稳定性高等优良特性，在众多领域得到广泛应用，特别是在制冷行业引起了极大地重视。氢氟烃可以通过全氟烯烃加氢反应进行制备，然而，由于氟原子的电负性强，难以活化全氟烯烃中的碳碳双键，因此全氟烯烃加氢反应是一个具有挑战性的难题。针对全氟烯烃加氢反应，目前国际上基本使用贵金属负载钯催化剂，钯负载量较大，成本较高。本工作采用浸渍法制备了钯含量仅为0.1wt%的高活性低负载量钯催化剂，以及一系列铜为助剂的负载钯催化剂，在微型固定床连续反应器上考察了不同催化剂催化六氟丙烯二聚体加氢反应的性能。结果表明，制备的0.1wt%负载量钯催化剂也具有较好的活性，原料转化率为49.3%，目标产物选择性可达97.6%；使用10wt% Cu助剂时催化剂活性最高，原料转化率高于93.4%，目标产物选择性可达98.6%。通过XRD, H2-TPR和XAFS等技术表征分析，发现催化剂中铜主要以Cu2O和Cu0形式存在，Cu2O可以和Pd形成强相互作用，通过氢溢流形式极大地降低催化剂中Cu2O的还原温度，从钯中溢流出的氢原子可以极大地提高六氟丙烯二聚体加氢反应活性。因此，本工作提供了一种全氟烯烃加氢反应高活性、低含量且较稳定的钯基催化剂的制备方法，为进一步设计高效催化剂提供了研究方向。

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