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2025年 第25卷 第9期    刊出日期：2025-09-28

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过程工程学报. 2025, 25(9):  0. 

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研究论文

高温复合SCR蓄热体的数值模拟与多目标优化

毛汉林 游永华 吴嘉俊 易正明

过程工程学报. 2025, 25(9):  881-894.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224394

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分子筛催化剂Ce-Cu-SSZ-13在与工业炉排烟温度一致的条件下具有卓越的选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction, SCR)脱硝性能，将其涂覆于内含扩缩通道的蜂窝陶瓷表面制作高温复合SCR蓄热体，可实现烟气脱硝与余热回收设备一体化。为优化新型SCR蓄热体综合性能，以蓄热体长度(L)、扩张/收缩角(θ)和烟气流速(V)为设计变量，能量回收率(ERR)、脱硝效率(η)和烟气压力损失(?P)为目标函数，开展耦合蓄热式传热的SCR烟气脱硝Fluent数值模拟研究。根据模拟结果，采用响应面方法建立目标函数回归模型。在此基础上，采用多目标优化遗传算法NSGA-II求得帕累托最优解集，使用基于熵权法(Entropy Weight Method, EWM)的熵权TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)法计算其与负理想解的相对接进度并以此确定最优解。方差分析验证回归模型的显著性，响应曲面分析则揭示了不同设计变量对目标函数的协同影响规律。结果表明，新型复合SCR蓄热体最佳设计变量为：L=717.57 mm, θ=12.19°和V=4.03 m/s，对应目标函数为ERR=68.13%, η=99.38%和?P=52.57 Pa。此时烟气出口温度约150℃，NO质量浓度为4.3 mg/m3。另外，将烟气速度约束至5和6 m/s后发现最优解减小了扩张/收缩角，以防止蓄热体压力损失大幅增加。

管壳式电加热炉结构设计对温度分布的影响研究

贾春桦 王玮 丁续 王冠达 魏丽燕 王娟

过程工程学报. 2025, 25(9):  895-904.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225006

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导热油电加热炉的开发对工业导热油炉实现绿色低碳排放，甚至零碳排放具有深远影响。参照管壳式换热器的设计方法和流程，提出了一种管壳式导热油电加热炉，采用RNG k-ε模型、二阶迎风格式、半隐式压力速度耦合方法，分析了不同布管方式和加热管间距、不同支撑板形式和支撑板间距条件下的电加热炉内导热油流动和温度分布的影响规律。结果表明，25 mm管间距三角形布管方式优于35 mm管间距三角形布管及正方形布管方式，500 mm板间距梅花形支撑板相较于其他布管方式的温度分布更均匀，最高温度满足工艺及安全运行需求。新型管壳式导热油电加热炉的结构设计可以满足导热油的升温需求，研究结果对于指导现有导热油炉的绿色零碳排放的改造升级具有重要意义。

新型两级旋流分离器内液固分离特性分析

张静 王绍哲 侯文浩 刘广田 李雅侠 龚斌

过程工程学报. 2025, 25(9):  905-913.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225030

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为提高旋流器分离效率，设计了螺旋管组与圆筒体组合的两级旋流分离器，采用实验和数值模拟研究了旋流器内液固两相流动特性及分离性能，揭示了螺旋管组并联作为旋流器入口的强化分离机理。结果表明，螺旋管内形成一级旋流流动，螺旋管出口与分离器内壁面相切，螺旋管组周向均匀布置，射流流场叠加强化了二级旋流流动，有效提高了物料处理量和分离效率。选取一级旋流参数的3个因素5个水平进行正交试验，结果表明，螺旋管数量N对二级旋流区液固分离有较大影响。单管流速的相同工况下，随着螺旋管数量增加，固相底流分配率下降。对混合相流场的研究表明，二级旋流区内相邻射流间流场叠加对剪切层内流体扰动增强，螺旋管数量N>4时不利于液固分离。

近壁区域对固定床瞬态传热特性影响的模拟研究

赵海涛 郭智超 申峻 张楠

过程工程学报. 2025, 25(9):  914-922.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225001

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固定床中颗粒堆积分布受壁面效应的影响已有广泛研究，但关于其对传热特性的影响则研究较少。本研究旨在深入探讨壁面效应对传热特性的具体作用，通过离散单元法模拟固定床内部的径向空隙率分布、颗粒配位数以及颗粒与壁面间的接触状况，并将这些数据应用于欧拉模拟中，以考察它们对床层传热性能的影响。离散单元法模拟结果表明，壁面效应对固定床内部的径向空隙率分布和颗粒配位数有显著影响。紧邻壁面的颗粒层中，仅有约10%的颗粒与壁面直接接触，这一发现对理解热传递机制极为关键。欧拉模拟研究表明，壁面效应对距离壁面1个颗粒直径范围内的温度上升速率有显著影响。尽管如此，在目前的参数配置下，径向空隙率分布和颗粒配位数对床层升温速率的影响相对较小。通过考虑近壁区域热阻或者调整模型以反映颗粒与壁面的接触比例，可以更准确地预测床层升温情况，从而提高对受壁面效应影响的固定床热传递过程的理解。与热阻模型相比，引入壁面与相邻颗粒之间的接触比不仅保持了计算的精确性，而且还提高了计算效率。这种方法对于工业规模固定床的传热模拟至关重要，可为工业规模反应器的设计和优化提供重要指导。

基于SHTT研究石灰在CaO-Al₂O₃-SiO₂(-MgO)渣中的溶解行为

夏云进 宋建徽 李心雨 李杰 范鼎东

过程工程学报. 2025, 25(9):  923-932.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225029

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本工作采用单丝热电偶技术，系统研究了1550℃下石灰在CaO-Al2O3-SiO2(-MgO)渣中的溶解行为。研究结果表明，在不含MgO的CaO-Al2O3-SiO2渣中溶解时，石灰的表观半径比随溶解时间的延长呈持续减小趋势，且在整个溶解过程中，溶解速率变化较小，完全溶解时间最短；而在含MgO的CaO-Al2O3-SiO2渣中溶解时，石灰的溶解时间随着MgO含量增加逐渐延长，其溶解过程可按溶解速率变化分为三个阶段：第一阶段与第三阶段溶解速率较快，第二阶段由于MgAl2O4固相产物层的形成对溶解产生阻碍，因此导致溶解速率减缓。动力学分析进一步揭示，石灰在不含MgO的CaO-Al2O3-SiO2渣中溶解时，其溶解限制性环节为边界层扩散，而在含MgO的CaO-Al2O3-SiO2渣中溶解时，其溶解限制性环节随溶解时间和MgO含量变化而变化。

钒泥-钒渣协同富氧碱浸强化提钒

陈畅 张振全 王宝华 杜浩 祁健 王少娜 李昊男 王明华 刘彪

过程工程学报. 2025, 25(9):  933-942.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224369

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钒泥是钒浸出液在除杂净化过程中产生的一种固体废弃物，具有极高的回收价值。针对钒泥难以高效利用的问题，采用碱浸提钒法进行钒泥中钒的提取，研究了浸出温度、浸出时间和NaOH浓度对提钒效果的影响规律，筛选出最优条件：在反应温度90℃、反应时间2 h、NaOH浓度20wt%、液固比2∶1的条件下，钒浸出率可达99.23%，此时尾渣中V2O5含量仅为0.48wt%。在此基础上，利用现有的富氧碱浸提钒工艺流程，进行钒泥协同钒渣强化提钒研究。在优化条件下，混合尾渣中钒含量为0.68wt%，钒浸出率为92.40%，钒渣提钒效率提高了约6个百分点。此时最佳的协同浸出工艺反应条件为：在反应温度150℃、氧气压力0.5 MPa的富氧碱浸后的浆料稀释至NaOH浓度为25wt%，添加初始钒渣质量10wt%的钒泥，浸出温度90℃，浸出时间1 h。通过对协同提钒过程进行表征，明确钒泥的加入可改变硅相，促进钒渣中钒的高效提取。该工艺可实现钒泥和钒渣中钒的高效协同提取。

CuAlCl₄络合-熔融结晶法分离混合二甲苯中的对二甲苯

刘晗 殷梦凡 崔家馨 郑涛 孟祥海 张睿 刘海燕 刘植昌 徐春明

过程工程学报. 2025, 25(9):  943-952.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225015

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对二甲苯(PX)是一种基础的化工原料，通常与间二甲苯(MX)和邻二甲苯(OX)以混合物的形式存在，将其从二甲苯混合物中分离是生产高价值精细化学品的前提。络合-熔融结晶法通过生成新的络合物，可显著提升待分离体系的熔点。本研究使用双金属卤化物CuAlCl4作为络合剂与二甲苯进行络合。研究发现，所得络合物的混合体系与纯物质混合体系均为低共熔体系，但络合物的熔点和低共熔温度均高于纯物质，使得结晶操作所需温度更趋于常温。实验以PX含量为74.60%的混合二甲苯为原料，考察了络合-熔融结晶过程中的各项操作条件。通过二级熔融结晶工艺，成功将PX的纯度提升至99.50%以上，收率达到43.12%。与纯物质体系相比，在相近收率的情况下，本方法的操作温度可提高20℃。本研究结果表明，CuAlCl4能够成功分离混合二甲苯中的对二甲苯，同时在结晶过程中可大幅降低制冷能耗。

Ag基催化剂催化降解MEA协同产NH₃性能研究

金帅丽 王建成 刘霄龙 朱廷钰

过程工程学报. 2025, 25(9):  953-962.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225003

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在“双碳”战略背景下，乙醇胺(MEA)由于其优异的CO2捕集性能，在气体脱碳领域得到广泛应用。然而，MEA在储存和使用过程中不可避免地会发生逃逸现象，即从液相中溢出到气相，进而对生态环境及人体健康构成潜在危害。为降低MEA使用过程中对外界造成的不利影响，实现其绿色资源化降解。本研究以锐钛矿型TiO2、P25型TiO2及金红石型TiO2为载体，通过浸渍法制备出三种晶型的Ag/Ti催化剂(Ag/TiO2-A, Ag/TiO2-P, Ag/TiO2-R)，并将其应用于MEA的催化降解及协同产氨研究。研究发现，以金红石型TiO?为载体制备的Ag/TiO2-R催化剂，其MEA去除率与NH3产率均显著高于另外两种晶型的催化剂。通过X射线电子能谱(XPS)、氧气程序升温脱附(O2-TPD)及氢气程序升温还原(H2-TPR)等表征分析得出，金红石型TiO2载体不仅能促进Ag/TiO2-R催化剂对氧的活化，从而提升降解效率；还能使负载的Ag在催化剂上以氧化态的形式存在。这是因为Ag/TiO2-R催化剂上存在更多的晶格缺陷，这些晶格缺陷增强了催化剂对Ag的锚定作用，使负载的Ag趋近于氧化态；而氧化银的存在可有效促进MEA降解过程中C-N键的断裂，提升NH3的产率。因此，采用金红石型TiO2负载的Ag/TiO2-R催化剂催化降解效果最好，在270℃可实现MEA的完全降解，当反应温度达到300℃时，产物NH3和CO2的产率分别达到80%与97%。

油水双响应固井水泥环自修复材料制备与评价

朱志平 张春梅 李锟 刘帅 程小伟 梅开元 李心雨

过程工程学报. 2025, 25(9):  963-974.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225007

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针对固井水泥环微裂缝破坏其完整性的问题，本工作以硅酸钠为自修复剂、硅藻土为载体、乙基纤维素为表面包覆材料，成功制备了油水双响应型包覆式自修复材料，并系统评价其对水泥石的自修复效果。结果表明，硅藻土的最佳煅烧温度为600℃，此温度下制备的硅藻土具有最大的比表面积和孔体积，且孔洞分布均匀，对硅酸钠的吸附性能最优。乙基纤维素与硅酸钠、硅藻土均无化学反应，其中2wt%乙基纤维素溶液的包覆效果最佳，可在吸附硅酸钠的硅藻土表面形成一层平整光滑且致密的包覆膜。包覆型自修复材料在水泥中的最佳掺量为4wt%。自修复14 d后，水泥石微裂缝完全闭合，渗透率降至0.31 mD，较空白水泥石降低69.31%；同时，其抗压强度达到26.6±1.3 MPa，抗压强度恢复率高达85.3%，为空白水泥石同期恢复率的2.1倍。经数据拟合发现，水泥石抗压强度恢复率随自修复材料掺量的增加呈先上升后下降趋势，4.5wt%掺量时自修复效果最佳。结合X射线衍射和热重分析结果可知，当水泥石中产生微裂缝时，自修复材料表面的乙基纤维素膜遇油溶解，随后自修复剂硅酸钠消耗水泥石中的氢氧化钙和水反应生成水化硅酸钙，进而填充裂缝实现自修复。

超螺旋质粒DNA在超滤膜分离过程中的稳定性及稳定剂研究

李梦晓 姜凯璇 赵静养 张松平 苏志国 李正军 贾艳菊

过程工程学报. 2025, 25(9):  975-986.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225048

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超螺旋质粒DNA (sc DNA)的稳定性是核酸疫苗研发中的核心问题，直接决定了疫苗的功效性和安全性。本研究探讨了不同截留分子量的超滤膜包对质粒DNA浓缩纯化的影响，并评估了不同稳定剂在质粒DNA纯化及储存过程中对其稳定性的作用机制。结果表明，随着超滤膜包截留分子量增大，sc DNA的收率显著降低，超螺旋结构损伤加剧；通过差示扫描量热法(DSC)检测发现，其解链温度(Tm)下降，且在储存过程中降解速度加快。在超滤过程中添加柠檬酸三钠可显著增强sc DNA的稳定性，有效减少其在超滤纯化和后续储存过程中的损失。分子动力学模拟进一步揭示，柠檬酸三钠通过氢键在DNA分子周围形成保护层，从而有效缓解sc DNA在纯化和后续储存过程中的结构损伤。此外，添加柠檬酸三钠还可显著提高体外转录后mRNA的产量，但对副产物双链RNA (dsRNA)的含量无明显影响。因此，采用较小截留分子量的膜包(如30 kDa)并结合柠檬酸三钠作为稳定剂，可显著提升sc DNA的纯化效率和稳定性。本研究结果为优化质粒DNA的纯化和储存条件提供了理论支持，也为开发更稳定、高效的DNA和mRNA疫苗奠定了重要基础。

基于深度类别监督堆栈自编码器的催化裂化故障诊断方法及应用

耿志强 祁海瀛 倪庆旭 李涛 马波 潘峰 谭蕾 韩永明

过程工程学报. 2025, 25(9):  987-994.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225004

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为了解决催化裂化系统中复合故障识别的挑战，并在数据不平衡和小样本情况下提高故障诊断的准确率，以满足工业实时过程的需求，本研究提出了一种基于深度类别监督堆栈自编码器的故障诊断方法。该方法通过在自编码器中引入类别信息，增强了对类别信息的关注，同时利用混合损失函数协调特征保真度与分类精度，在保持了模型结构的简洁性的同时，有效提升了故障诊断准确率。对催化裂化装置反应-再生系统故障数据集的验证结果表明，与堆栈自编码器、多层感知器、深度信念网络、t分布随机邻域嵌入、主成分分析等方法相比，该方法显著提高了诊断准确率，并缩短了模型的训练时间。