过程工程学报

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过程工程学报. 2025, 25(7): 0.

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核能领域含氚水净化技术研究现状与应用前景

徐琰吴孟涵姜百华武毓勇于湉湉

过程工程学报. 2025, 25(7): 645-657. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225158

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在全球核能复兴及绿色发展浪潮下，氚排放问题备受关注。降低氚排放是提升核能环境和公众友好度的重要措施。然而，目前尚缺乏从核能应用视角对氚净化技术的全面客观分析，且关于含氚水净化工艺的整体技术路线和流程仍不清晰。此外，该领域发展迅速，现有文献综述亟待更新。本文首先概述了核能领域高氚水的产生场景、特征及法规，指出核电、后处理及未来聚变领域对氚净化技术的需求迫切，尤其是内陆核设施对氚净化的要求更高，典型待处理含氚水活度浓度范围为107~1012 Bq/L。其次，本文对水精馏(Water Distillation, WD)、联合电解催化交换(Combined Electrolysis and Catalytic Exchange, CECE)和液相催化交换(Liquid Phase Catalytic Exchange, LPCE)三种主流的含氚水净化技术的最新研究进展进行了综述，指出氚净化机理与关键物性参数的发掘和建立、高效氢-水同位素交换催化剂的工业化制备和电解系统的适应性改造是当前研究的重点和难点。在此基础上，本文从核能应用视角出发，在当前技术成熟度条件下总结了四种可行的氚净化技术路线：“WD+贮存/电解+低温精馏(CD)”路线、“CECE+贮存/CD”路线、“WD+CECE+贮存/CD”路线、“LPCE+CD”路线，并对其处理能力、适用条件、优缺点进行了综合分析，旨在为含氚水净化技术和工程建设提供参考。

蒸发罐中NbCl₅-Ar载气蒸发过程的CFD模拟

王凯张良何宗倍彭建财许秋石杨宁

过程工程学报. 2025, 25(7): 658-668. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225107

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在流化床化学气相沉积制备铌金属层包覆颗粒的工艺中，前驱体NbCl5蒸气的流量对涂层质量的影响十分显著。由于NbCl5蒸气具有强酸性，蒸发罐出口蒸气流量难以有效测量，蒸发过程一直是黑箱操作，严重制约了该工艺的稳定运行与优化升级。本工作采用耦合气液界面蒸发模型和壁面沸腾模型的VOF方法，模拟了NbCl5-Ar体系载气蒸发过程，探究了液面高度、Ar气载气流量、加热温度等操作条件对蒸发罐中气液两相流动和热质传递特性的影响规律。模拟结果表明，液位高度主要影响蒸发面积。当液位处于罐底区时，液位高度降低使得蒸发面积减小，进而导致蒸发罐出口NbCl5蒸气流量显著减小。当蒸发罐中通入Ar气后，蒸发罐内部会形成NbCl5蒸气涡和Ar气涡两种不同的涡结构。提高Ar气速度能够实现液面上NbCl5蒸气的快速吹扫、降低液面饱和蒸气温度，进而增加蒸发速率；随Ar气速度由0 m/s增加至2.1 m/s，NbCl5蒸气质量流率由0.047 g/s增加至1.095 g/s。提高加热温度能够提高蒸发界面液体温度，进而加快液体蒸发；随加热温度由533 K增加至543 K，NbCl5蒸气质量流率由0.280 g/s增加至0.359 g/s。模拟结果对实际载气蒸发过程操作条件优化和蒸发罐的结构优化均具有指导意义。

环形中心体空化喷嘴空化特性研究

彭宝龙饶勇王斌

过程工程学报. 2025, 25(7): 669-682. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224387

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空化射流由于其强大的冲击力和清洗能力，被广泛应用于清洗和表面处理等领域。作为诱发空化射流的关键部件，空化喷嘴的设计至关重要，而部分学者在提高空化效果的研究中，集中于轴线位置中心体的优化，忽略了轴线附近流体的作用。针对这一问题，本工作基于传统风琴管喷嘴提出一种新型环形中心体喷嘴。将环形中心体分成正向、反向和方形三种结构，通过分析空化体积分数、压力、速度以及湍动能等参数，考察了各种新型结构空化喷嘴的空化特性。同时还将环形中心体以及轴线位置放置的中心体搭配使用，进一步研究喷嘴的空化特性。结果表明，相较于未加装环形中心体的喷嘴，反向结构能产生最大面积的空化，方形结构空化面积仅次于反向结构且轴线上的速度最大，正向结构由于收缩至轴线的射流对内流道流体产生冲击，降低了内流道的整体流速，由于其靠近壁面的流速较低，导致低压区变小，使其壁面附近的空化效果相对较差；入口速度对空化流场中空化云的形状影响不大，但与空化体积成正相关；环形中心体搭配轴线中心体使用可以使空化云长度延长，增强了中心体后方的空化效果。本研究结果可为空化喷嘴的设计与优化提供新的理论依据。

两种离散尺度的滤波气相压力梯度对介尺度曳力的影响

张宇蒋聚贺谢宇陈啸周强

过程工程学报. 2025, 25(7): 683-694. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224364

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滤波气相压力梯度是介尺度曳力建模中的重要物理量。在滤波过程中，压力梯度可分别从细网格尺度和滤波网格尺度计算得到。然而，这两种尺度下计算的滤波压力梯度存在显著差异，从而影响介尺度曳力模型的预测精度及其在流化床模拟中的实际应用。基于此，采用人工神经网络方法，探究不同的滤波压力梯度对介尺度曳力建模的影响。基于细网格尺度和滤波网格尺度的压力梯度构建的曳力模型分别被称为模型A和模型B。结果表明，模型B具有更优越的预测性能。这一优势通过后验得到进一步验证。在鼓泡、湍动和快速流化等典型流化状态下，模型B预测的轴向固含率分布与解析结果更为接近，而模型A的偏差较大。研究表明，基于滤波网格尺度压力梯度构建的介尺度曳力模型能够显著提升精度与适用性，更适用于工业尺度的复杂流化床动力学的模拟。

双层组合桨气液搅拌槽流动与功耗特性的数值模拟

张梦瑶肖亚峰董中天马少萍吴双于明州张庆华杨超

过程工程学报. 2025, 25(7): 695-705. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224353

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以氯乙酸氨解法合成甘氨酸体系为研究对象，采用数值模拟方法研究了双层三窄叶旋桨式搅拌桨(ZCX-ZCX)、三窄叶旋桨式搅拌桨-抛物线型圆盘涡轮桨(ZCX-PDT)和三窄叶旋桨式搅拌桨-错位圆弧式抛物线型圆盘涡轮桨(ZCX-SFPDT)等三种双层组合桨气液两相搅拌槽流场和功耗特性，比较了三种组合桨搅拌槽中的速度分布、湍动能分布、气含率分布、气泡直径分布以及功耗。结果表明，与ZCX-ZCX组合桨相比，ZCX-PDT和ZCX-SFPDT双层桨搅拌槽内气体分散效果更好，ZCX-SFPDT组合桨搅拌槽内的流场分布最均匀，功率准数比ZCX-PDT降低6.1%，传质效率增加10.9%，更适合应用于气液搅拌槽。

旋流器底流口直径对特殊矿浆体系分离影响研究

尚江涛马淑花欧彦君洪涛

过程工程学报. 2025, 25(7): 706-716. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224372

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针对新型低品位铝土矿湿法提质工艺中尾渣与铝精矿复杂嵌布导致的铝精矿收率和品位降低问题，基于?75 mm旋流器中试平台，采用计算流体力学模拟与实验验证相结合的方法，以底流口直径(4, 6, 8, 10和12 mm)为唯一变量，探究其对旋流器内部流场及分离性能的调控机制，明晰湍流动能分布与流场稳定性的作用机理。模拟结果表明，通过改变底流口直径可有效调控湍流动能大小及分布，结合流场特性阐明了短路流和循环流的演变趋势，强化尾渣与铝精矿的高效解离。实验结果表明，进料压力为0.3 MPa、进料质量浓度为17.15wt%、进料铝硅比为2.74时，8 mm底流口对流场的稳定与分离性能有显著提升，抑制溢流跑粗和底流夹细现象，解决了铝精矿收率低、品位差的问题，与原始旋流器相比，精矿产率提高9.33%，铝硅比提升20.39%，且模拟结果与实验数据高度一致。研究结果可为复杂矿浆体系旋流器的结构优化提供理论依据，对工业级低品位铝土矿资源高效回收具有指导意义。

选择性硫化法回收废旧锂离子电池

陈世梁管修涛樊友奇王鑫郭志鹏李虎谭文龙丁超吴健赵森姚永林

过程工程学报. 2025, 25(7): 717-727. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224310

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短流程回收废旧锂离子电池中的有价金属是保障新能源产业原料供给的重点挑战方向。本工作基于硫化法基本原理，采用Factsage 7.3热力学软件，对三类典型硫化剂[S8、SO2、硫化矿(FeS, CuFeS2, ZnS)]硫化正极材料LiCoO2的过程开展热力学分析，系统研究了硫化温度、硫化剂用量对硫化产物的影响。结果表明，上述硫化剂在热力学上均可实现对LiCoO2的硫化，Li被硫化成水溶性的Li2S或Li2SO4，Co则生成难溶于水的硫化物或氧化物，结合浸出分离实验可实现Li与Co的高效分离。硫化回收实验研究表明，三类硫化剂对LiCoO2均可实现不同程度的硫化，其中S8受反应动力学影响，硫化效果最差，硫化率仅为2.51%；SO2单独作为硫化剂时硫化效果较差，硫化率为34.07%，而与还原剂C协同作用时，硫化率显著提升至72.03%；硫化矿中，ZnS的硫化效果最优，硫化率达96.14%，CuFeS2和FeS的硫化效果则相对较差。本研究可为短流程回收废旧锂离子电池中的有价金属提供新思路。

ZnO纳米颗粒/石墨烯纳米片复合材料的自组装及其光催化降解亚甲基蓝的性能与机制

曹铭睿吕晟汗金鑫刘光蓉翟锦丽黄强

过程工程学报. 2025, 25(7): 728-735. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224341

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ZnO/石墨烯纳米结构复合材料在光电器件、传感器、光催化等领域展现出广阔的应用前景。本研究以体相ZnO为原料，将其溶解于氯化胆碱-尿素低共熔溶剂中，通过乙醇-水反溶剂沉淀法将ZnO纳米颗粒原位沉淀于石墨烯纳米片表面，经热处理后获得ZnO纳米颗粒/石墨烯纳米片(ZnO@G)复合材料。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射光谱(XRD)、拉曼光谱(Raman)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及紫外-可见吸收光谱等表征手段，研究了复合材料的物理化学性能，并考察了其光催化降解亚甲基蓝的性能。研究表明，ZnO纳米颗粒均匀分散于石墨烯表面，有效扩展了光吸收范围。界面处通过Zn-O-C键连接，为两相间提供了电子转移通道。通过调控反溶剂的组成，可实现对ZnO颗粒尺寸和沉淀量的精准调节。ZnO@G在全光谱和可见光照射下均能高效降解亚甲基蓝，其主要活性物种为光生空穴氧化H2O和光生电子还原溶解氧所生成的超氧自由基(O_2^(?-))。本工作提供了一种将体相ZnO转变为纳米结构并均匀沉积于石墨烯片表面的新方法，自组装形成的ZnO@G可高效光催化降解亚甲基蓝染料，实验结果和活性物种的产生路径对理解ZnO@G复合材料的光催化机制具有参考价值。

基于界面反应工程和羰基铁粉掺杂的软磁复合材料性能优化研究

李凯旋刘洋吴星怡王锐黄华钦吴朝阳

过程工程学报. 2025, 25(7): 736-747. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224380

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通过界面反应工程实现绝缘包覆是优化软磁复合材料(SMCs)性能的重要途径，但传统方法面临绝缘层与软磁粉末晶格失配导致界面裂纹的问题。本研究创新性地提出引入羰基铁粉(CIPs)掺杂策略，利用其高塑性和高比表面积特性，协同碱性化合物热分解构建CaSiO3?Ca2Al2O5?CaO复合绝缘层。结果表明，Ca(OH)2在热处理过程中会分解为固相CaO和气相H2O，其中CaO倾向于在FeSiAl软磁粉末基体表面形核，并沿着掺杂的CIPs生长，最终形成由CaSiO3?Ca2Al2O5?CaO组成的复合绝缘层。高塑性CIPs与包覆层结合后，有效填补SMCs内部孔隙；小粒径CIPs的高比表面积为Ca(OH)2分解及复合绝缘层生长提供更多的反应位点，促进绝缘层在软磁粉末和CIPs表面均匀分布，实现CIPs在绝缘层内部的有效掺杂，削弱绝缘层与软磁粉末间晶格失配带来的负面影响。通过改变CIPs掺杂量，能够实现SMCs磁性能的精确调控，当CIPs掺杂量为20wt%，SMCs展现出最佳的综合磁性能。在10 mT, 200 kHz条件下，饱和磁化强度达145.1 A?m2/kg，磁导率为40.5，磁损耗低至50.6 kW/m3，是高性能电磁元件的理想选择。与其他基于界面反应工程的绝缘层制备策略相比，本研究提出的方法利用CIPs的高塑性和高比表面积的优势，通过与界面反应工程结合，有望成为解决绝缘层与软磁粉末间晶格失配的新思路，为SMCs的性能优化提供了理想解决方案。

回转窑内高温气固预热燃料燃烧优化的数值模拟

丁雨晨王俊杰蔡军朱治平

过程工程学报. 2025, 25(7): 748-760. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224343

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流态化预热燃烧技术用于回转窑燃烧可以有效降低单位产品燃料消耗且具有燃料适应性广和NOx排放低等优点。但与煤粉相比，预热燃料的燃烧特性具有显著差异。本工作采用计算流体力学研究了预热温度、回转窑内过量空气系数和多通道燃烧器轴流风通道动量等因素对高温预热燃料在回转窑内燃烧过程的影响，并结合课题组前期对多通道燃烧器旋流数的研究，通过正交设计法结合矩阵分析法获得了四个因素对燃烧特性影响的重要程度以及综合燃烧性能最佳的参数组合。结果表明，随着预热温度增大，火焰变粗和变短；随着过量空气系数增大，火焰先变长后变短；随着燃烧器轴流风通道动量增加，火焰先变短变粗后变长变细。四个因素对燃烧特性影响的重要程度分别为预热温度>燃烧器轴流风通道动量>旋流数>过量空气系数，最佳参数组合为旋流数0.2、预热温度850℃、过量空气系数1.1、燃烧器轴流风通道动量0.5 N/MW。优化后的工况相较于原始工况火焰长度增长了47%、烧成带区域壁面平均热通量提高37%、烧成带区域壁面最大热通量提高80%。

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