过程工程学报

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过程工程学报. 2025, 25(2): 0.

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Si₃N₄/BN复合陶瓷材料研究进展

赵蕾孙玥胡玉龙方喆禹金星冉松林

过程工程学报. 2025, 25(2): 111-128. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224154

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Si3N4作为一种无机非金属材料，因其具有高硬度、高机械强度和高热稳定性等特性，在切削工具、生物医学、电子、军事和汽车等领域被广泛应用。但Si3N4陶瓷自身的硬脆特性，使其在加工过程中容易形成表面缺陷，极大地降低了Si3N4陶瓷的可靠性。大量研究表明，以Si3N4为基体制备的复合陶瓷能有效弥补单一Si3N4陶瓷的劣势，即在Si3N4基体中添加第二相，其中通过添加BN制备的复合陶瓷在先进的工程应用中尤其有吸引力。Si3N4/BN复合陶瓷是一种耐高温、介电性能良好、可加工性能优异的高温透波陶瓷材料，具有良好的应用前景。本工作综述了近年来Si3N4/BN复合陶瓷制备和性能研究的进展，并讨论了陶瓷材料性能的优化以及今后所面临的挑战。

生物固碳效益评价的发展和挑战

王梦蝶夏雪王丹秦钊彭祉尧

过程工程学报. 2025, 25(2): 129-141. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224200

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空气中二氧化碳(Carbon Dioxide, CO2)浓度逐步上升，全球变暖问题日益严重。目前全球已有120多个国家提出了碳中和目标，碳捕集、碳封存和碳转化技术受到学术界和工业界的高度重视。生物固碳技术因反应条件温和、绿色环保及反应产品应用范围广等特点，在碳中和背景下显示出良好的工业应用潜力。然而，要真正实现可持续发展，必须采用有效评价策略用以量化生物固碳效益。但目前的生物固碳效益评价方法多种多样，缺乏统一的科学评估框架。为了促进生物固碳效益评价的发展，本文综述了基因组规模代谢网络模型(Genome-Scale Metabolic Network Model, GSM)和生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)在生物固碳评价中的应用，重点分析了这两种方法在生物固碳效益评价中的瓶颈问题。此外，本综述还对生物固碳效益评价的未来发展方向进行了系统展望，阐述了机器学习应用的显著优势，指出了基于原子经济性(Atomic Economy, AE)的科学评估指标，规范了数据获取的基本框架，并分析了构建多层次评估框架的重要突破。

基于数据驱动的乙二醇精馏过程能耗与产品质量建模

冯康康耿欣娄清辉王玉胡华军石祥建薄翠梅

过程工程学报. 2025, 25(2): 142-149. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224158

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能耗和产品质量是精馏过程中的重要经济指标，能耗和产品质量预测是实现工艺优化操作的必要环节。以煤制乙二醇精馏过程为例，采用一种改进的最小二乘支持向量机算法，构建乙二醇精馏过程能耗与产品质量模型。首先基于煤制乙二醇精馏过程的工业数据，采用互信息法提取关键特征参数，进行变量筛选和数据预处理。然后引入局部目标集提高模型预测精度，并通过UMDA算法进行迭代寻优，得到LSSVM模型的最佳超参数。最后采用改进的LSSVM算法对数据样本建模，验证了算法的有效性。后续可以将模型作为多目标优化问题的目标函数求解最佳操作参数，来达到稳定操作、提高产品质量、避免过度分离操作以及降低精馏过程能耗的目的。

氧枪区位置对大型铜熔炼氧气底吹炉流动特性影响研究

姜保成肖涛王松松郭学益王亲猛

过程工程学报. 2025, 25(2): 150-158. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224173

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随着我国对含铜复杂资源清洁冶炼需求增加，氧气底吹炼铜技术正在发挥重要作用，对其核心装备(底吹炉)冶炼能力提出更高的要求。与其他底吹炉相比，大型氧气底吹炉规格更加庞大、结构更加复杂，结构与功能高度匹配将是一个非常重要的问题。氧枪区位置是影响大型氧气底吹炉内流体流动与传质的重要因素，从而对冶炼效果产生重要影响。本工作以某企业大型铜熔炼氧气底吹炉为研究原型，通过数值模拟方法对氧枪区位置对大型氧气底吹炉流动特性影响进行研究，考察了氧枪区位置对炉内功能区、流场的影响规律。结果表明，调整氧枪区位置可改变炉内功能区的分布模式。“一端反应一端沉降”模式、炉内功能区非对称分布、沉降区有效延长，有利于渣、锍充分分离。氧枪区向铜口一侧偏移2300 mm，会形成“一端反应一端沉降”模式，渣口前沉降区延长53.74%，铜锍与铜渣获得合理过渡、充分分离，可作为一种定向调控措施优化生产。

流化床电石合成过程的反应与气固流动特性

王旭苏国辉李婷韩振南付亮亮许光文

过程工程学报. 2025, 25(2): 159-168. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224166

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电石合成是典型高温固相反应，通过减小原料粒径可显著提高颗粒内和颗粒间的传质传热速率，有望实现该过程的低温化和技术变革。基于此，本工作提出流化床合成固相电石工艺，分别在固定床和喷动流化床反应器中考察了小颗粒原料合成电石过程的反应和气固流动特性，探究了流化床中颗粒表面反应及形貌变化过程，阐述了流化床合成电石过程中床层失流机制。结果表明，对于147~178 μm的焦炭和氧化钙原料，电石合成反应在1500℃时即可发生，在1600℃时反应速率显著增加，1600℃时产物乙炔收率和CaO转化率分别可达101~105 mL/g和25%~26%；当原料C:Ca摩尔比小于9.6时，焦炭-氧化钙流化床在1500~1600℃出现失流现象，且大量焦炭颗粒黏附于氧化钙颗粒表面；流化床失流是由床内颗粒团聚造成的，团聚物形成途径包括氧化钙颗粒间烧结团聚和焦炭-氧化钙颗粒间黏结，但前者是引发失流的主导因素，提高床内半焦颗粒浓度可避免失流发生。本工作验证了流化床合成固相电石工艺的可行性，可为电石生产技术变革提供技术思路和数据支撑。

考虑气泡形状及气泡诱导湍流的聚并模型

施炜斌龙姗姗杨晓钢黄辉段念

过程工程学报. 2025, 25(2): 169-178. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224140

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在描述气泡聚并的碰撞筒(Collision Tube)理论中，气泡沿碰撞方向的横截面积及其所携带的湍动能是决定碰撞速率的两个关键点。在气液鼓泡流动中，随着气泡体积增大，气泡形状由球形向椭球形、球帽形转变，其相应的投影面积也发生变化。由于气泡对液相的强烈作用，液相湍流中剪切湍流和由气泡尾涡诱导的湍流涡漩二者共存，并且在不同的时空范围内对即将发生碰撞的气泡所携带的湍动能产生影响。针对Prince and Blanch聚并模型中的球形气泡假定和剪切湍流作用，本研究建立了考虑气泡形状和气泡诱导湍流的气泡聚并过程动力学模型，并基于群体平衡模型进行了模拟。研究结果表明，在气泡聚并模型中考虑气泡形状变化、气泡诱导湍流和剪切湍流的共同作用，能够准确捕捉气液鼓泡流动中气泡的尺寸分布特征，并且能够进一步影响气液两相的动力学特性预测结果。

微气泡强化碳酸化法制备纳米碳酸钙

田文鑫杜浩刘彪王少娜

过程工程学报. 2025, 25(2): 179-189. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224147

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CO2矿化利用是低品位石灰石和含钙固废资源化利用的重要方向，以乙酸为介质的间接矿物碳酸化固定CO2工艺由于乙酸介质可循环，被认为是新一代的清洁工艺，但该工艺加压5 MPa下碳酸化反应转化效率不足20%，即使引入萃取剂后碳酸化反应转化效率仍不足30%，限制了其工业化应用。针对乙酸体系反应过程碳酸化反应转化效率低的问题，本研究开发了微气泡强化碳酸化法制备纳米碳酸钙新工艺，系统研究了介质钙含量、反应温度、反应时间、pH值、曝气头孔径等对碳酸化反应转化效率的影响。结果表明：(1) 最优工艺条件为：反应时间1 h，反应温度80℃，初始pH值7.2，初始钙含量70.07 g/L，曝气头尺寸0.22 μm，在常压条件下碳酸化反应转化效率可达19.17%，与加压3 MPa的转化效率相当，同时实现了乙酸介质的再生循环，源头上避免了废水产生。(2) 将有机溶剂磷酸三丁酯(TBP)与微气泡技术耦合，所得碳酸化反应转化效率达57.5%，比文献报道的加压萃取工艺提高了13.4个百分点。(3) 在常压条件下制得长度400~800 nm、宽度小于100 nm的棒状文石型纳米碳酸钙产品。

微细粒蛇纹石浮选夹带行为与机制研究

刘家俊张国范

过程工程学报. 2025, 25(2): 190-200. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224160

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在硫化铜镍矿浮选体系中，以蛇纹石为主的微细粒脉石矿物极易随泡沫夹带进入精矿中，对精矿产品以及后续冶炼过程产生负面影响。为了解硫化铜镍矿浮选体系中微细粒蛇纹石等脉石矿物随泡沫夹带过程中的影响因素以及是否存在交互作用，在单因素试验的基础上进行了响应曲面分析试验，分析了起泡剂用量、气体体积流速、泡沫层厚度三因素的交互作用对机械夹带的影响。结果表明，起泡剂用量和矿浆浓度通过影响水回收率以及夹带度进而影响蛇纹石机械夹带回收率，而气体体积流速、颗粒粒度、泡沫层厚度只影响夹带度进而影响回收率。响应曲面试验预测值与实际值一致，说明此回归模型预测值较准确，可以用于对试验结果进行分析与预测。探究的三种因素对蛇纹石机械夹带回收率的影响顺序为起泡剂用量>泡沫层厚度>气体体积流速。起泡剂用量以及泡沫层厚度对蛇纹石机械夹带有明显影响，为显著影响因素。响应曲面法优化浮选条件一般针对有用矿物而非脉石矿物，并且交互作用分析表明不同因素对蛇纹石的机械夹带并无交互影响。

广西高铁铝土矿氧化铝的溶出与分离

吴浩马淑花欧彦君

过程工程学报. 2025, 25(2): 201-209. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224050

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以难处理广西高铁复合型铝土矿为研究对象，在明晰铝土矿中氧化铝的赋存形式基础上，第一步采用氢氧化钠溶液，对其中的氧化铝进行溶出。结果表明，该铝土矿的主要矿物成分是三水铝石、一水软铝石、铝针铁矿、赤铁矿以及锐钛矿、石英等。其中，氧化铁72.22wt%以铝针铁矿形式存在，27.78wt%以赤铁矿形式存在，在铝针铁矿中，铝对铁的取代率为24.5 mol/mol；氧化铝以三种形式存在，即三水铝石、一水软铝石和铝针铁矿，各占原矿的37.48wt%, 3.89wt%和42.46wt%。在低碱浓度(Na2O 100 g/L)、反应温度180℃、反应时间1 h条件下，高铁铝土矿中以三水铝石和一水软铝石形式存在的氧化铝可近完全溶出，但矿物中的铝针铁矿在此温和条件下难以转化，严重影响新工艺的经济性。为了解决铝针铁矿中铝铁分离问题，基于针铁矿在一定温度下可向赤铁矿转化的机理，采用低温焙烧的方法将铝针铁矿转化为赤铁矿和活性氧化铝，在450℃温度下将富铁相焙烧0.5 h。研究发现，在转化过程中，铝针铁矿中约57wt%的氧化铝被释放到赤铁矿晶格之外，实现了铝-铁的分离和相转化。第三步将转化之后的矿物再次在低碱浓度(Na2O 100 g/L)、反应温度220℃、反应时间1 h条件下溶出。被释放的氧化铝溶出后，三步法氧化铝的总溶出率可达到85.92%，且溶出后尾渣氧化铁含量达到83.06wt%以上，可用作炼铁原料。

二维聚酰胺改性无色聚酰亚胺复合薄膜的制备及性能研究

李子健吴任钊董海峰易芬云王彦陈德富蔡玉富

过程工程学报. 2025, 25(2): 210-220. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224184

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无色聚酰亚胺(CPI)广泛用作柔性显示器件的盖板、基板以及触控层面板，这些领域要求CPI具有高玻璃化转变温度(Tg)、低热膨胀系数、出色的光学透明度以及良好的力学性能。CPI主要通过引入含氟基团改变分子链的化学结构的方法获得，这种方法制备可以得到透光率高的CPI，但同时也会造成其热性能和力学性能的下降。二维无机材料改性的方法可以有效改善CPI的热学和力学性能。然而，与CPI相容性差、改性工艺复杂等技术难题也限制了二维无机材料在CPI改性中的应用。基于此，本研究提出二维有机聚合物——二维聚酰胺(2DPA)改性CPI的新方法，并通过溶液相混法和两步热酰亚胺法制备了2DPA/CPI复合薄膜。分析了2DPA的结构及性能，并探究了2DPA添加量对2DPA/CPI复合薄膜的透光率、吸水率、Tg和拉伸强度等性能的影响规律。结果表明，在不影响透光率的情况下，2DPA/CPI复合薄膜中2DPA的添加量为1wt%时效果最佳，与CPI膜相比，Tg从338℃提高至358℃；拉伸强度达到了71.44 MPa，断裂伸长率达4.34%，分别提升了21.37%和24.36%；吸水率降低了39%，由3.33%降至2.03%。这种二维有机材料改性CPI复合材料的成功制备，为高性能CPI基复合材料的研究与应用提供了新思路，具有重要的研究意义。

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