过程工程学报

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过程工程学报. 2025, 25(11): 0.

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过渡金属基催化剂应用于海水电解的研究进展

严茜陈炳旭胡中慧李思达喻嘉王元庆

过程工程学报. 2025, 25(11): 1113-1129. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225067

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在可持续能源技术研究中，电解水制氢被认为是电化学能源转化的关键技术之一，其技术突破对实现“双碳”目标具有重要意义。电解水过程包括两个半反应：析氢反应(HER)与析氧反应(OER)。相比于HER，OER涉及四电子转移过程(4OH-→O2+2H2O+4e-)，具有较高的反应能垒，其缓慢的动力学导致了电解水的整体效率降低，因此成为研究的重点。近年来，研究人员逐渐将目光转移至海水电解的技术开发，因为相较于有限的淡水资源，海水储量丰富，约占地球总水量的96.5%，这使得海水电解在未来具有广阔的应用前景。然而，直接海水电解面临着多重技术挑战：高浓度氯离子导致的氯离子氧化竞争反应不仅会降低海水电解的效率，还会导致电极和催化剂的腐蚀；电极表面产生的气泡会覆盖活性位点并增加界面阻抗；海水中的Mg2+, Ca2+等离子会在电极表面形成沉淀，堵塞活性位点。这些问题会导致催化剂在海水电解中的活性、选择性和稳定性受限。本文综述了海水电解阳极催化剂所面临的关键挑战，并重点总结了近年来针对过渡金属基催化剂的多种设计策略，包括组分调控、几何结构优化、选择性透过层设计、复合材料设计等。最后，探讨了未来实现高活性、高选择性及优异稳定性的过渡金属基催化剂的发展方向，应该将理论计算与实验相结合，借助原位表征技术与人工智能技术，深入探究过渡金属基催化剂中活性位点的演化机制，为设计更高效的催化剂提供理论依据。

变径快速流化床内气固流动特性的双流体模拟研究

巩向阳杨雷首时赵翔宇龚剑洪杨超

过程工程学报. 2025, 25(11): 1130-1142. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225052

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催化裂解反应器是重油深度利用生产轻质烯烃的重要工具，而反应器内部气固两相流动和混合特性对反应效果具有重要影响。为了获得变径快速流化床催化裂解反应器中复杂的相间、相内相互作用及流动行为，采用双流体模拟方法对流化床内气固流动行为进行模拟，以探究其内部气固流动特性。通过与现有实验数据进行对比，验证了模拟方法的可行性/准确性。并进一步研究了喷嘴气体流量和床层结构参数对颗粒流动的影响。结果表明，增加气体流量在一定程度上可以缓解颗粒在突扩段的聚集，使颗粒在反应器内分布更加均匀。而气体流量对上部区域的颗粒浓度分布影响不大。反应器结构参数优化的结果显示，流化床整体结构中渐扩段上部直径和底部直径呈现一定倾角更有利于颗粒在反应器内的均匀分布，使气固混合得到改善，有利于催化裂化过程的进行。

高炉冲渣水余热驱动的双吸收式热泵系统优化设计与耦合研究

黄志甲胡耀孙凤张样鲁月红王俊

过程工程学报. 2025, 25(11): 1143-1155. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225023

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为降低高炉煤气碳捕集系统的再生能耗，同时合理利用冲渣水余热，本工作建立了双吸收式热泵热力学模型，研究了蒸发温度、冷凝温度、吸收蒸发温度、吸收温度对系统性能的影响。利用遗传算法进行模型优化计算，并与高炉煤气碳捕集系统进行耦合研究，分析了冲渣水温度波动对耦合系统的影响。研究结果表明，当蒸发温度为75℃时，系统COP最大值为0.3168；冷凝温度为20℃时，系统COP最大值为0.3032；吸收蒸发温度为103℃时，系统COP最大值为0.3116；吸收温度为130℃时，系统COP最大值为0.3015；优化后系统换热面积减少14.8%，面积性能比提高了16.5%。冲渣水温度从75℃升高至85℃时，热泵制热量提升18.6%，碳捕集能耗降低约10.3%；系统投资回收期为3.48年。此研究拓宽了双吸收式热泵在冶金行业的应用领域，也为双吸收式热泵优化设计提供了方法，对于推动冶金行业的节能减排和可持续发展具有重要意义。

工业余热回收的高温蒸汽热泵工质筛选及系统模拟

李建辉韦俊赵贯甲

过程工程学报. 2025, 25(11): 1156-1167. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225058

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工业领域排放了大量低品位余热，采用热泵技术将其提质后再利用是降低碳排放的有效手段。针对热泵回收工业余热时在热源和热汇端均存在较大温度变化，从而造成不可逆损失的问题，本工作结合非共沸混合工质在相变过程中具有一定滑移温度，可实现蒸发器和冷凝器中换热温度匹配的特点，筛选了一种适用于余热回收系统的非共沸混合工质，建立了针对大容量工业余热回收的离心式高温蒸汽热泵模拟模型，研究了选定非共沸工质与传统工质R245fa在不同工况下的系统特性。结果表明，选定非共沸混合工质R600a/R1234ze(Z)/R1336mzz(Z)以30%/20%/50%摩尔分数进行混合时，较R245fa具有更为优良的热力学性能。相同热源条件下，R245fa与非共沸混合工质的最佳冷凝温度分别为107.5和110℃，在最佳冷凝温度下两者系统能效比(COPh)分别为3.36和3.94；冷凝温度为110℃时，COPh提高了20.45%；在热源条件发生变化时，混合工质压比相较于R245fa降低了18%以上，COPh提升了19.31%，采用非共沸混合工质节能效果明显。

基于Volterra级数模型和核熵成分分析的控制阀粘滞故障检测

王俊伟赵众

过程工程学报. 2025, 25(11): 1168-1182. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225028

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控制阀粘滞现象是导致工业过程控制回路振荡和阀门非线性行为的主要原因之一，这不仅会降低控制回路性能和缩短阀门使用寿命，还可能增加产品质量波动及能耗，因此，控制阀门粘滞的实时检测对保证过程平稳运行意义重大。基于时域的传统粘滞检测方法通过分析控制阀输入信号OP (Output Position)和过程变量PV (Process Variables)波形并计算粘滞指数判断粘滞是否存在。然而，在实际工业实践中，过程PV信号呈现非线性和非高斯的随机波动特征，基于时域波形分析的控制阀粘滞故障检测方法在准确率和泛化能力上存在局限性。针对实际过程的检测信号的随机波动特性，本工作提出了一种基于Volterra级数模型和角度方差指标(Angular Variance Index, AVI)的核熵成分分析(Kernel Entropy Component Analysis, KECA)故障检测方法。基于AVI的KECA定义为改进核熵成分分析(Improved Kernel Entropy Component Analysis, IKECA)。首先，基于二阶Volterra级数模型对非线性粘滞控制阀进行建模。其次，基于谱分析理论和二阶Volterra级数提取用于表征粘滞的OP-PV相位特征。然后针对故障和正常数据，利用KECA方法对多维特征进行降维、特征提取和分类，以差分向量角度方差指标作为统计量，通过核密度估计(Kernel Density Estimation, KDE)来确定识别控制限AVILim，从而实现对控制阀粘滞故障的实时检测。基于所提方法开发了工业应用软件，工业应用结果证实了所提方法的可行性和有效性。

酸性溶液中冰晶石的合成调控及磷酸铁锂废粉酸性浸出液中低锂损除铝应用

罗枫张盈郑诗礼张洋王晓健乔珊

过程工程学报. 2025, 25(11): 1183-1194. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224349

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从LiFePO4 (简称LFP)废粉中回收有价元素已成为当下重要的研究方向之一。在此过程中，高效回收该废粉中的有价元素面临一个关键挑战，即如何在含铁、铝、磷的酸性溶液中深度去除Al3+，以便于后续制备电池级磷酸铁。本研究参考LFP废粉硫酸全浸液的成分，配置了Na2SO4-Li2SO4-Al2(SO4)3溶液，并利用冰晶石沉淀法脱除Al3+。在对冰晶石沉淀除铝条件进行优化的基础上，深入阐明了多种类型冰晶石(如Na1.5Li1.5AlF6, Na2LiAlF6和Na3AlF6)的形成规律，尤其明确了溶液初始Na/Li摩尔比和初始Al3+浓度对冰晶石形成的影响机制，进而确定了各类冰晶石纯相的生成条件，为冰晶石沉淀法除铝提供了理论依据。将该方法应用于LFP废粉酸浸液中的Al3+深度脱除研究，结果表明，冰晶石沉淀除铝的最佳条件为：F/Al摩尔比为6.6、初始pH值为2.5、反应温度为50℃、反应时间为2 h。在上述条件下，当初始Na/Li摩尔比为1.50或2.00时，沉铝产物为Na1.5Li1.5AlF6冰晶石；当Na/Li摩尔比为3.00时，则形成Na3AlF6冰晶石。同时发现溶液中铁和磷的存在会抑制Na2LiAlF6的生成。利用冰晶石沉淀法，Al3+质量浓度可从0.50 g/L降至20 mg/L以下，并能在低锂损的同时生成Na3AlF6冰晶石。本研究为LFP废粉湿法回收过程中Al3+的低锂损深度选择性脱除提供了有效方法。

含氟废水中氟化钙颗粒结晶行为研究

黄鸶云钱玉鹏张雨茜解蕾李军霄

过程工程学报. 2025, 25(11): 1195-1203. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224386

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为解决工业排放含氟废水所带来的环境危害问题，通过模拟含氟废水钙盐沉淀反应过程，考察钙氟比、pH值、反应温度和反应时间对除氟效果的影响，运用粒数衡算模型分析各因素下氟化钙晶核粒数密度与生长速率的关系，得出各条件下氟化钙成核相对生长动力学方程及其对应敏感系数，并利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜-能谱(SEM-EDS)表征结晶产物特征，明确NaF与CaCl2化学沉淀反应生成氟化钙的结晶行为。研究结果表明，初始F-浓度5000.00 mg/L含氟废水，以CaCl2为钙盐沉淀剂，当钙氟比为2、pH值为7、反应温度为60℃、反应时间为60 min时，沉淀除氟效果较好，处理后废水中F-浓度降至8.82 mg/L，除氟率达99.82%，该条件下，氟化钙沉淀结晶成核速率为0.19470 */(mL?min)、生长速率为2.952×10-3 μm/min。各因素敏感系数大小关系为：ipH<iT<0<it<iCa/F，适当增大钙氟比和时间有利于氟化钙晶体成核，适中的pH和温度有利于氟化钙晶体生长。最终沉淀产物为氟化钙，其表面微观形貌为球状团聚体组成的堆积结构。

低分子量聚烯烃对沥青-集料界面黏附性能的作用机制

陈美祝于静君张建伟冷滨滨马佳萌

过程工程学报. 2025, 25(11): 1204-1216. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225084

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沥青-集料界面黏附性能是控制路面水损害的关键因素，直接影响道路服役寿命。针对传统改性剂成本高、工艺复杂等问题，本研究创新地采用低分子量聚烯烃作为沥青混合料改性剂，通过接触角测量、表面能计算及界面能参数(黏附功Was、剥落功Wasw、能量比ER)的多维度分析，系统研究了聚烯烃掺量(2wt%~8wt%)对石油沥青与花岗岩、玄武岩、石灰岩三种典型岩性集料界面性能的影响规律，并采用多元回归分析和改良水煮法验证了其黏附增强效应。研究结果表明，低分子量聚烯烃可显著降低沥青的接触角(8%~58%)，使沥青-集料界面间的Wasw提升38.3%~39.5%、ER增加1.38~1.41倍，同时将Wasw降低至-94.86~-97.85 mJ/m2，有效改善了沥青润湿性和黏附性能。集料岩性差异导致聚烯烃最佳掺量分化，花岗岩、玄武岩与石灰岩分别在2wt%, 4wt%与6wt%掺量时达到最小Was值(-97.85, -96.15, -94.86 mJ/m2)。相关性分析显示，聚烯烃掺量与ER的相关系数达0.90 (p<0.01)，显著高于集料氧化物调控作用，证实其主导沥青黏附性能提升。实验验证表明，改性后沥青的剥落率Wb降低34%，水稳定性提升显著。研究结果为低分子量聚烯烃在沥青路面工程中的应用提供了理论依据与技术支撑。

基于商用多模光纤的高灵敏SPR生物传感器

车淇陈超赵一凡赵大伟张松平李秀男张香美

过程工程学报. 2025, 25(11): 1217-1226. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225035

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针对光纤SPR传感器制备难度大、增敏手段复杂、成本高等问题，本工作采用商用多模光纤，使用常规镀膜方法，优化镀膜条件后，成功制备出高灵敏度的光纤SPR传感器，并集成了一套光纤SPR传感系统。结果表明，优化后的最佳镀膜条件为：镀膜电流15 mA，镀膜时间20 s。通过SEM对传感器结构进行表征，结果表明光纤表面形成了呈轴向粒径大小渐变的非均匀金纳米颗粒膜层。在折射率1.339~1.384范围内，传感器的灵敏度可达3416 nm/RIU。经羧基化后交联Protein A配体，将制备出的生物传感器对HIgG进行免疫检测，在1.25~20.00 μg/mL HIgG浓度范围内，其线性相关系数R2为0.9987，灵敏度和检测限分别为0.6786 nm/(μg/mL)和0.15 μg/mL，检测性能与文献中经复杂方法增敏后的传感器相当。本研究制备的光纤SPR生物传感器制备工艺简单、性能稳定、灵敏度高，具有广泛的应用前景。

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