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    2024年 第24卷 第5期    刊出日期:2024-05-28
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    过程工程学报. 2024, 24(5):  0. 
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    相关文章 | 计量指标
    综述
    射频感应热等离子体制备锂离子电池硅基负极材料的研究进展
    杨宗献 董元江 刘畅 金化成 丁飞 李保强 白柳杨 袁方利
    过程工程学报. 2024, 24(5):  501-513.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223230
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    相关文章 | 计量指标
    硅负极凭借其高理论比容量被认为是最具有应用前景的负极材料之一,但脱嵌锂过程中较大的体积变化严重限制了其实际应用。通过将硅负极纳米化,能够显著缓解体积效应、改善导电性及提高稳定性。射频感应热等离子体具有高温、瞬冷、可控、连续等优点,是制备高纯纳米硅基负极的重要手段。本工作综述了射频感应热等离子体制备锂离子电池硅基负极材料的研究进展。首先对热等离子体技术进行简要介绍,其次重点讨论了硅纳米球(Si NSs)、硅纳米线(Si NWs)、氧化亚硅纳米线(SiO NWs)、氧化亚硅纳米网(SiO NNs)、高硅含量氧化亚硅纳米线(SiOx NWs)、硅基硅铁合金纳米球(Si/FeSi2 NPs)等几种关键材料的热等离子体法制备及其在锂离子电池负极的应用,最后对热等离子体技术的发展进行了展望。
    研究论文
    以乙二醇水溶液为基液的纳米流体喷雾冷却传热特性研究
    周年勇 赵英杰 刘阳 邹有鑫 唐光华 鲍庆国 吕文宇
    过程工程学报. 2024, 24(5):  514-522.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223205
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    相关文章 | 计量指标
    近年来,由于功率密度的提高、紧凑的封装以及高性能的要求,高热通量器件的散热需求显著增加。针对上述问题,本工作拟采用以喷雾冷却的技术方法对以乙二醇-水为基液的Al2O3纳米流体展开传热研究,重点分析了在300, 500和700 W三种不同工况下,基液浓度、纳米颗粒浓度、所添加分散剂的浓度对工质喷雾冷却换热性能的影响。实验结果表明,由于比热容和导热系数的降低以及喷雾特性的恶化,乙二醇质量分数由30wt%增至80wt%,Al2O3纳米流体溶液表面传热系数不断下降,平均降低41.63%。Al2O3纳米流体表面传热系数随着纳米颗粒质量分数的增加呈现先减小后增加,再缓慢减小的趋势。Al2O3纳米颗粒质量分数由0增至2wt%,Al2O3纳米流体溶液表面传热系数整体平均下降6.94%,沉积和泡化效应是削弱换热的主要原因。此外,添加低质量分数的分散剂聚山梨醇酯-20 (Tween-20)可以改善泡化效应,使得喷雾冷却传热系数增高约1.52%,但仍低于纯基液(不添加纳米颗粒)的换热能力;添加较高质量分数的分散剂会导致其换热性能进一步削弱。
    辅助气淬风优化熔渣离心粒化特性数值模拟
    张馨艺 徐宁文 李小明 王树众
    过程工程学报. 2024, 24(5):  523-532.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223233
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    在熔渣粒化过程中引入辅助气淬风,降低转杯温度同时强化熔渣粒化效果,提高了渣粒利用率且增加了系统使用寿命。建立了带有气淬风的三维熔渣粒化模型,采用SST k-ω湍流模型,利用VOF方法研究了气淬风对熔渣粒化效果、废渣颗粒飞行速度以及转杯冷却效果的影响。探究了不同气淬风条件下熔渣颗粒水平飞行速度的变化规律,为优化颗粒飞行轨迹及粒化仓空间设计提供参考依据。结果表明,增大风量使熔渣粒径分布向较大区间移动,但有利于改善渣粒球形度。气淬风在4~6 m3/h的风量范围内能产生有效的破碎作用,当风量大于2 m3/h时,冷却效果较好。采用环形缝隙出风时,渣粒平均直径最小,且靠近转杯壁面的温度较低,飞行速度适中,球形度优于无气淬风状态。
    撞击流-共沉淀法制备三水碳酸镁的工艺优化及结晶动力学
    张建伟 邹显泓 董鑫 冯颖
    过程工程学报. 2024, 24(5):  533-545.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223240
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    相关文章 | 计量指标
    采用新型撞击流技术结合共沉淀法制备三水碳酸镁(MgCO3?3H2O)晶体,对MgCO3?3H2O制备的工艺条件及其结晶动力学进行了研究。实验以长径比为指标讨论了反应物浓度c、反应温度T、循环撞击流量Q和循环撞击时间t对MgCO3?3H2O晶体形貌及结构的影响。实验的最佳工况为:反应物浓度0.25 mol/L、反应温度50℃、循环撞击流量500 L/h、循环撞击时间50 min,在该工况下可得到长径比为20、晶体平均长度为57.3 μm的MgCO3?3H2O晶体。运用粒数衡算模型分析晶核粒数密度、生长速率以及成核速率。最佳工况下晶体成核速率为2.061×106 #/(mL?min)、生长速率为0.148 μm/min。得出了撞击流-共沉淀法反应体系下各因素的成核、生长动力学方程,确定了各因素对晶体生长影响的敏感系数i。各影响因素得到的敏感系数呈现的关系为iQ<iT<0<it<ic,循环撞击流量和反应温度可促进晶体生长。
    响应曲面法优化某磷矿正-反浮选试验研究
    张胜东 华中宝 赵瑜 谢贤 童雄
    过程工程学报. 2024, 24(5):  546-557.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223291
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    相关文章 | 计量指标
    云南某磷矿P2O5, SiO2和CaO含量分别为18.59%, 37.37%, 27.55%,属于硅钙质胶磷矿。根据该矿性质特点,采用正-反浮选流程,在单因素条件试验的基础上,通过响应曲面法对正浮选中调整剂用量进行优化,并基于优化结果开展闭路浮选试验。单因素试验结果表明,Na2CO3、Na2SiO3、正浮选YP6-1、反浮选YP6-1、改性淀粉DZ、H2SO4和H3PO4的最佳用量分别为3000, 1500, 2400, 600, 700, 5000和4000 g/t,在此药剂用量下经一正一反浮选可获得P2O5品位和回收率分别为30.19%和73.06%的精矿产品。响应曲面优化试验结果表明,正浮选中Na2CO3、Na2SiO3、改性淀粉DZ最佳用量分别为3016.15, 1986.72和877.33 g/t,在该条件下进行实际浮选试验得到P2O5品位和回收率分别为30.08%和75.81%的精矿,该结果与响应曲面优化拟合结果基本一致。与传统的单因素条件试验结果相比,采用响应曲面法优化可在品位相当情况下将精矿的P2O5回收率提高2.75个百分点。最后,根据单因素条件试验和响应曲面优化确定的条件进行闭路浮选试验,获得了P2O5品位32.07%、回收率72.83%的磷精矿,较好地实现了该难选细粒胶磷矿的分离回收。
    锌浸渣和锌焙砂铜粉还原浸出工艺研究
    张李敏 王云燕 刘卫平 闵小波 林文军 柯勇
    过程工程学报. 2024, 24(5):  558-565.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223327
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    为了减少传统锌冶炼浸出渣渣量,同时提高金属回收率,本研究以锌浸渣和锌焙砂为研究对象,研究了添加铜粉的还原浸出工艺。控制铜粉足量,详细考查了硫酸浓度、液固比、反应温度和硫酸酸量对锌浸渣和锌焙砂锌浸出率,渣率和反应后浸出液尾酸的影响规律。结果表明,相比单纯的酸浸,相同反应条件(硫酸100 g/L、液固比20 mL/g、60℃)下,铜粉还原浸出可使锌浸渣的锌浸出率从32.82%提高至92.82%,渣率由62.34wt%降低至25.20wt%,反应后浸出液pH由0.12升高至0.36;相同反应条件(硫酸200 g/L、液固比10 mL/g、60℃)下,铜粉还原浸出可使锌焙砂的锌浸出率由86.52%提高至98.82%,渣率由26.56wt%降低至6.28wt%,反应后浸出液pH从低于0升至0.19。在获得较高锌浸出率的条件下,锌浸渣和锌焙砂的反应浸出液尾酸浓度最低为25~26 g/L。铜粉还原浸出工艺实现了中温条件锌的高效浸出,同时大幅降低锌浸出渣渣量,不残余大量尾酸,可为就地处理锌浸渣提供新思路。
    紫外光协同磁性离子交换树脂活化过硫酸盐去除水中腐殖酸的效能与机理
    武文龙 高俣辰 张晋玮 李凌 李燕 曾宇晨 杨春 陆嘉鹏 丁磊
    过程工程学报. 2024, 24(5):  566-579.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223268
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    采用紫外光协同磁性离子交换树脂活化过硫酸盐去除水中腐殖酸,探究了紫外光/过硫酸盐/磁性离子交换树脂(UV/PMS/MIEX)体系对水中腐殖酸的去除效能、影响腐殖酸去除的环境因素、活性氧化物质产生机理及腐殖酸去除机理。UV/PMS/MIEX体系对水中腐殖酸具有显著的去除效能,反应120 min后去除率可达91.71%。树脂投加量和温度的提高可促进腐殖酸的去除,一定程度上增加PMS浓度可提升腐殖酸的去除效率,而溶液pH对腐殖酸去除的影响不明显。该体系以氧化过程为主,在树脂表面的铁氧化物,含氧官能团及外加紫外光等多种协同作用下,可有效活化过硫酸盐产生?OH, SO4?-, O2?-和1O2等多种活性氧化物质,自由基与非自由基途径共同协作降解腐殖酸。MIEX树脂体现出良好的重复使用性能,同时对于体系中的各类副产物可有效吸附去除。本研究为去除水中腐殖酸提供了一种新方法,所构建的氧化体系表现出良好应用前景。
    氧化镱掺杂氧化铪陶瓷的高温相稳定性与热膨胀性能
    周菲 兰昊 孙小明 张会丰 孙勇辉 杜令忠 张伟刚
    过程工程学报. 2024, 24(5):  580-588.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223074
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    燃气涡轮发动机推重比的提高依赖于发动机工作温度的提升。目前,寻找比传统YSZ(氧化钇部分稳定的氧化锆)材料耐受温度更高,与镍基基体热膨胀系数匹配的新型热障涂层陶瓷材料是首要任务。采用水热法合成一系列氧化镱掺杂氧化铪(YbSH)纳米粉体,并通过固相烧结制备出YbSH陶瓷,分析了YbSH粉体与陶瓷的微观结构变化规律与相稳定机制,测试立方相结构YbSH陶瓷的高温相结构稳定性与热膨胀系数。利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和透射电子显微镜(TEM)分析Yb2O3掺杂HfO2粉体与陶瓷的微观结构变化规律与相稳定机制;并借助热重-差热分析仪(DSC-TG)、热膨胀分析仪(TMA)测试立方相结构YbSH陶瓷的高温相结构稳定性与热膨胀系数。结果表明,水热合成粉体的粒径在10 nm以下,分布均一,多数呈正方体形状,结晶状态好,制备的烧结陶瓷致密度可达95%以上;晶体学分析得出,Yb(III)离子通过取代Hf(IV)离子的位置,使氧化铪发生晶格畸变,以置换固溶的方式使HfO2的空间群从单斜相的P21/c畸变到萤石立方相Fmˉ3m。氧化镱掺杂量的增多使氧化铪逐渐失去单斜相结构,12 mol/mol以上的氧化镱的掺杂可使氧化铪成为完全立方相,通过使阳离子网络的膨胀和氧空位的产生,有效缓解氧过度拥挤的情况,使立方萤石结构的HfO2稳定在室温下。通过高温热处理和监测升温过程中YbSH的热量变化,该立方相结构在室温至1500℃表现出良好的稳定性;YbSH陶瓷热膨胀系数随着立方相含量的增多从6.016×10-6℃-1增大至10.14×10-6℃-1 (25~1500℃),其中20 mol/mol氧化镱掺杂的YbSH陶瓷的热膨胀系数可达10.5×10-6℃-1 (1000~1200℃),比纯氧化铪热膨胀系数提高67.22%。
    Bi2MoO6/Bi7O9I3异质结的制备及其光催化性能
    林本平 李永翔 于瀚博 刘春华
    过程工程学报. 2024, 24(5):  589-598.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223229
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    本工作采用一步法合成了Bi2MoO6/Bi7O9I3异质结材料,并采用多种手段表征异质结材料的形貌结构、化学组成和光电性能,研究了该异质结材料吸附和光催化降解环丙沙星(CIP)的效果。结果表明,与Bi2MoO6单体相比,Bi2MoO6/Bi7O9I3复合异质结材料提高了对可见光的吸收能力,减小了其带隙宽度,从而同时提高了其作为催化材料吸附和可见光下降解CIP的活性。研究发现该复合材料中Bi2MoO6与Bi7O9I3摩尔比为7:3时对CIP的去除效果最好,其中吸附去除率为82.6%,光催化降解率为94.7%。而在相同条件下,Bi2MoO6、Bi7O9I3吸附去除和催化降解环丙沙星的效率分别仅为57.4%, 66.4%和35.2%, 43.6%。自由基捕获实验表明Bi2MoO6/Bi7O9I3光催化降解环丙沙星的过程中主要活性物种为h+和?O2-。
    空气过滤用静电纺纳米纤维膜的制备及性能研究
    程思敏 钱付平 朱晨 陈路敏 董伟 仲怀玉
    过程工程学报. 2024, 24(5):  599-608.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223252
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    为了开发高效低阻的空气过滤用纤维膜,采用静电纺丝的方法制备了聚丙烯腈(PAN)静电纺纳米纤维膜。通过改变PAN浓度及静电纺丝时长,得到了不同形貌及过滤性能的静电纺纳米纤维膜。结合场发射扫描电子显微镜等表征方式和过滤性能测试台对静电纺纳米纤维膜形貌及过滤性能进行测试与分析,获得性能最优的PAN静电纺纳米纤维膜的制备参数如下:PAN浓度为9wt%,静电纺丝时长为5.0 h。此条件下制备的静电纺纳米纤维膜厚度为0.0240 mm,平均纤维直径为396 nm,PM2.5过滤效率为99.99%,过滤压降为67 Pa,品质因子最高,为0.137 Pa-1。
    一种结构化的化工系统人因失误概率评估方法
    王倩琳 陈士成 呼小栋 张建文 陈良超 李静海 窦站
    过程工程学报. 2024, 24(5):  609-617.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223251
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    化工生产系统高度非线性且复杂耦合化,使现有人因可靠性分析(HRA)技术难以直接应用,且分析结果的有效性和准确性差。为此,本工作将人因-危险和可操作性分析(人因HAZOP)与贝叶斯网络(BN)相融合,提出了一种结构化的化工系统人因失误概率评估方法。通过概述人因HAZOP的作业任务,筛选引导词和偏差,形成结构化的人因HAZOP报告,并据此构建BN模型,求解化工系统人因失误概率。以丙烯酸甲酯虚拟仿真工厂的酯化反应为例,人因失误概率的计算结果为0.0004,且主要人误行为是维护人员遗漏。对该化工系统进行传统CREAM分析,人因失误概率结果为0.0001~0.01。与传统CREAM相比,这种结构化方法能够高效且精确地评估化工系统人因失误概率。
    基于DA-CycleGAN的化工过程多工况故障诊断方法
    陈文静 代长春 党亚固 戴一阳 吉旭
    过程工程学报. 2024, 24(5):  618-626.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223316
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    化工生产过程中可能会存在着多种运行工况。一方面,当生产工况变化时,故障诊断模型的性能会恶化。另一方面,由于故障是小概率事件,因此在新工况下只能获取到正常运行数据。为解决这些问题,提出一种基于二维循环一致性生成对抗网络(Cycle-Consistent Generative Adversarial Networks, CycleGAN)的多工况故障诊断方法。该方法首先利用二维CycleGAN捕获历史工况下各类故障的时空域特征,并将这些特征添加到新工况的正常数据中,用以构建新工况下的伪故障数据集。其次,使用领域自适应方法减少真实故障数据与生成数据间的分布差异,使故障知识更好地迁移到新工况中。利用田纳西-伊斯曼(TE)过程的十二个变工况故障诊断任务对所提算法进行性能测试,实验结果表明,该算法相比于直接利用历史工况下故障数据建模能提高平均故障诊断率3%以上,能有效提高模型在新工况下的故障诊断性能。