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2023年 第23卷 第1期    刊出日期：2023-01-28

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过程工程学报. 2023, 23(1):  0. 

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综述

萤石资源开发利用现状与战略意义

张丹仙 亢建华 黄红军 祝雯霞 王若林

过程工程学报. 2023, 23(1):  1-14.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221373

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萤石作为一种重要的非再生非金属战略矿产资源，受到各国重视。随着科学技术和国民经济的快速发展，其经济价值和战略地位日益突出，广泛应用于冶金、建材、氟化工等传统领域和新能源、新材料、新医药等战略性新兴产业。近年来，氟化工产业链不断深化，对萤石资源的需求急剧增加，由于全球萤石资源储量有限、资源分布不均、贸易保护主义以及逆全球化势力等因素，全球氟化工产业呈现出高度集中和高度垄断的现象，不同国家和地区的经济发展和萤石资源清洁高效利用、精深加工技术水平存在较大偏差，对萤石产品的供需和消费格局产生严重影响，激化萤石资源储备与萤石产业发展之间的矛盾。本工作从资源储备、主要产业结构、供需消费结构及清洁高效利用技术等方面详细阐述了萤石资源的经济地位和战略意义，提出萤石资源的全球战略布局，通过强化萤石资源整合重组、清洁高效利用、精深加工技术与装备研发、高端产品制造，进一步推动萤石产业朝着精细化、复合化、轻量化、环保节能、循环经济氟化工产品应用领域以及高新技术产业的应用研究开发方向发展，保障萤石资源储备与供给，实现全球萤石资源优化配置和萤石产业的健康可持续发展。

气泡羽流气液两相流动特性的研究进展

董鑫 刘易诺 叶陈 张建伟 冯颖

过程工程学报. 2023, 23(1):  15-24.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222021

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气泡羽流是一种复杂的气液两相流，广泛应用于废水处理、石油加工、环保等工业领域。气泡羽流的流动特性对气液两相间质量、动量传递及工业应用至关重要。本工作总结了理论与实验研究等方面气泡羽流流动特性的研究进展。详细讨论了气泡羽流气液两相流体水力学特性、羽流运动行为的影响因素。根据气含率、气泡直径等水力学参数的预测模型和经验公式，归纳了不同液相物性和结构参数下羽流模型的适用范围，揭示了流动对传质的作用。总结了分层流体中气泡羽流流型变化规律、羽流去分层效果以及引起流型变化的影响因素。阐释了横向流动环境下羽流的偏移行为呈线性变化，该变化与横向流速及表观气速等因素有关。最后讨论了气泡羽流气液两相流动特性研究手段和理论方法的局限性，展望了气泡羽流运动规律多尺度研究的方向。

煤岩学在炼焦配煤中的应用进展及优化配煤技术

王岩 杨承伟 袁东营 张宇宏 曲思建

过程工程学报. 2023, 23(1):  25-37.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222343

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科学合理的配煤技术对于焦化企业高质量发展至关重要，炼焦配煤技术的核心在于对原料煤煤质特性的深入认知。影响炼焦煤性质的主要因素包括变质程度、煤岩组成及第三成因因素，故煤岩学对炼焦配煤技术的研究与应用至关重要。本文论述了经验配煤、煤岩配煤及人工智能配煤3种炼焦配煤技术发展历程和现状，凝练了炼焦配煤技术的发展趋势。结合研究实际，重点梳理了煤岩学指标在炼焦配煤中的应用现状。在注重煤岩特征的同时，也需兼顾工艺指标等相关参数对炼焦煤优劣的表征。在实际应用中，各项指标参数的选择和利用需要综合考虑参数适配范围并尊重该指标与炼焦煤特性的真实对应关系。基于以上内容，提出了关联成煤时代、产地等地质因素和黏结指数、胶质层指数等工艺指标的整体思路，实现焦炭性能与原料煤特性的科学、深入关联，构建“本源-过程-结果”一体的优化配煤技术新体系。

研究论文

圆管内氧化石墨烯MPCM悬浮液对流传热实验研究

鲁进利 陈星雨 韩亚芳 孙彦红 尹子杰 吴丽

过程工程学报. 2023, 23(1):  38-45.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221429

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由于氧化石墨烯(GO)的高热导率特性，将其添加至相变微胶囊颗粒内，以提高以其为基材制备的悬浮液的热导率，从而进一步强化传热。分别测试了纯水、5wt%相变微胶囊悬浮液(MPCMS)、5wt%和10wt%复合氧化石墨烯的相变微胶囊悬浮液(GO-MPCMS)的传热特性，分析讨论了壁面热流密度、雷诺数(Re)等参数的影响。结果表明，由于相变过程的影响，圆管壁面和流体温度分布呈现上升、平直、上升的变化规律；相同实验条件下，当工质为悬浮液时壁面温度与流体温度比纯水低；颗粒浓度和GO均对传热产生较大影响，相同质量分数(5wt%)时，添加GO时可使稳定后的局部努塞尔数(Nux)进一步提升8个百分点，颗粒质量分数由5wt%增至10wt%时，Nux又增加了20个百分点；与纯水相比，同时考虑GO和微胶囊颗粒的影响，相同实验条件下，相变微胶囊悬浮液平均努塞尔数(Nu)可提升1.0~2.0倍。

微藻柱状式光生物反应器流动特性及结构的数值模拟优化

叶斌华 韩飞 石向星 焦永刚 赵青云 钟凯强

过程工程学报. 2023, 23(1):  46-56.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221394

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微藻作为最具潜力的可再生生物质能源，在生物固碳和生物燃料生产领域优势显著，有助于碳达峰、碳中和目标的实现。通过改善反应器曝气装置的性能可以大幅度提高微藻的培养效率，本工作采用数值模拟方法对柱式光生物反应器的球型曝气结构进行了优化。模拟采用欧拉模型，湍流模型选取k-ε模型，研究分析了不同曝气装置条件下气含率、平均液相速度、湍流动能几种参数的变化和光生物反应器内的流场情况。结果表明，曝气装置结构的变化对光生物反应器内的流动特性具有很大的影响，通过曝气装置向反应器内通气，气含率、平均液相速度、湍流动能随着曝气量的增大而增大，随着曝气装置孔径的增大而减小。综合各相关参数得到当总曝气量为1400 mL/min、曝气孔数为50、曝气孔径为30 μm时，曝气装置性能最好，此时测得气含率为68.6%，平均液相速度为0.905 m/s，湍流动能为0.149 m2/s2。

入口流速对间断微通道内流型演变及流量分配特性影响

袁鑫森 袁俊飞 王林 江河 曹艺飞

过程工程学报. 2023, 23(1):  57-66.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222024

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微通道内气液两相流动规律是影响微通道换热器换热系数和流场温度均匀性的主要因素。以N2和H2O为工质，对间断、并联矩形微通道换热器内气液两相流型的起始、发展、稳定过程的演化以及并联通道内流量分配不均匀特性进行了数值模拟研究。结果表明，不同的进口Re对微通道内流型的演变过程和流动周期有重要影响，当进口Re为450时，气相工质在均流腔内以离散的散团状形态脉动扩散至微通道中，并联通道内气相工质从弹状流型态逐渐转变为泡状流型态；当进口Re增至为1600时，气相工质在均流腔内以较连续的椭圆状型态扩散至微通道中，并联通道内气相工质从环状流型态逐渐转变为泡状流型态。通道结构还将影响并联通道间的流量分配的均匀性，间断微腔的存在使微通道内工质质量流量分布均匀性提升38.7%，通过研究通道内压力分布规律，发现通道内静压的分布不均匀是导致两相工质从均流腔进入微通道时发生不均匀分配的重要原因。

气波引射器压力端口设计及其对性能的影响

赵一鸣 刘明昊 李浩然 胡大鹏

过程工程学报. 2023, 23(1):  67-77.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221400

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气波引射器是一种高效的压力能综合利用装备，在诸多工业过程中具有广阔的应用前景。压力端口作为气波引射器必备的核心部件，其开、闭位置的合理设计是保证设备高效运行的前提。本工作介绍了以波系理论为基础的压力端口设计方法，并通过数值模拟与实验相结合，获得了完整的端口位置对设备性能的影响机理及规律。研究结果表明，满足理想波系的压力端口位置可使设备性能在相同条件下达到最优；端口偏离设计位置则会引起中压产气返流、低压进气不充分等现象，从而造成性能下降。由于不同端口位置对性能的影响机理不同，各端口位置偏离所造成的性能下降幅度有所不同。本工作丰富了气波引射器的参数设计理论，对该设备的研究应用具有重要指导意义。

光辅自耦合藻-菌颗粒污泥处理系统特性

程琪 何成达 张淼 薛禹

过程工程学报. 2023, 23(1):  78-87.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221349

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在当前温室气体成为生态环境严重威胁的背景下，探究了实验室条件下光辅助自耦合藻-菌颗粒污泥处理系统达到最佳处理效果时，系统所需的曝气量大小。本工作首先阐述了该系统的培养过程，接着考察了藻类供氧完全替代曝气(零曝气)的情况下系统处理效果，最后探究了适当增加不同曝气量(0.2, 0.4, 0.6, 0.8 L/min)的条件下系统处理效果。结果显示，在零曝气条件下经过12 h的处理，出水COD、总磷、总氮浓度分别降至76.70, 1.09, 3.52 mg/L，各指标浓度下降趋势明显，继续增大水力停留时间出水能够达标，但处理成本随之增大。对比几种不同曝气量条件，在0.2 L/min曝气量条件下系统各项出水指标效果达到最佳，COD、总磷、总氮浓度分别降至25.6, 0.40, 1.67 mg/L。因此0.2 L/min为系统最佳曝气量，在保证处理效果的同时能够为污水厂节能减排带来可观效果。

土著菌群还原矿化修复铀污染地下水

王国华 刘颖 王家莉 向金晶 刘迎九 赵发 刘金香

过程工程学报. 2023, 23(1):  88-97.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222013

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本实验研究了β-甘油磷酸钠刺激下土著菌群对中性含铀模拟地下水的处理效果及机理。结果表明，β-甘油磷酸钠可同时激活生物还原和生物矿化菌群，其对铀的去除率达98%以上，微生物表面均匀沉积CaU(PO4)2和Mg(UO2)2(PO4)2?10H2O等鳞片状矿物。土著菌群还原矿化铀的机理为：反应前期生物还原和生物矿化同时参与了铀的固定，且以生物矿化作用为主，Dysgonomonas, Propionispora, Macellibacteroides, unclassified_Rhizobiaceae和unclassified_Rhodocyclacea可能参与了溶液中U(VI)的还原，Acinetobacter促进生物矿化的发生；随后在Methyloversatilis和unclassified_Enterobacteriaceae的作用下，部分矿化生成的U(VI)沉淀被微生物逐渐还原成U(IV)沉淀。本实验为今后微生物治理铀污染地下水的长效性能强化策略研究提供了新的理论支撑。

碱土金属醇类低共熔溶剂强化钒磷氧催化剂的制备及催化性能研究

王兴盛 常智 吴刘柱 张满园 张瑞锐 刘瑞霞

过程工程学报. 2023, 23(1):  98-106.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222040

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钒磷氧(VPO)催化剂是目前实现正丁烷选择性氧化的唯一工业催化剂。利用金属助剂掺杂以及有机助剂强化是提高VPO催化剂性能的有效手段。本工作通过加入氯化镁醇类金属低共熔溶剂，实现了有机-金属助剂同时对VPO催化剂性能的调控。利用扫描电子显微镜(SEM)、BET全自动比表面与孔隙度分析仪(BET)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)等表征手段，深入探讨了合成过程中加入不同氢键供体乙二醇(EG)、1-4丁二醇(BDO)和甘油(GL)的低共熔溶剂对VPO催化剂微观形貌、比表面积、物相、表面性质和晶相转变温度的影响，同时利用固定床反应器对VPO催化剂催化正丁烷氧化制备顺酐的性能进行了评价。结果表明，氯化镁乙二醇低共熔溶剂调控制备的VPO催化剂具有分散性良好、比表面积大、活性面(020)的数量多、表面P原子富集和表面V平均价态低等特点，在丁烷氧化选择性制顺酐反应中表现出了良好的催化性能，为VPO催化剂的制备提供了新思路。

氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂中高效电解回收废铅膏制备铅粉

黄皓铭 汝娟坚 华一新 耿笑 张文文 程明强 王道祥

过程工程学报. 2023, 23(1):  107-114.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221422

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本工作采用摩尔比为1:2的氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂(ChCl-EG DES)作为电解质，研究了对废旧铅酸蓄电池铅膏(Scrap Lead Paste, SLP)进行电解回收制备铅粉。通过循环伏安法探讨了30 g/L SLP+ChCl-EG体系中沉积铅的电化学行为，采用XRD和SEM检测手段分析了不同温度下沉积产物的物相和微观形貌。结果表明，废铅膏在ChCl-EG中还原为金属铅是一个受扩散控制的准可逆过程，恒电位沉积实验发现，当实验温度为363 K时，电流效率达96.06%，电能单耗为673.28 kWh/t。不同温度下电沉积得到的产物均为金属铅粉，其微观形貌主要为棒状，有少量呈现针状、团簇状，长度约为10~60 μm，直径<5 μm。

氟化铝生产副产物-硅渣酸化过程及其动力学

艾怡君 李婷婷 夏举佩

过程工程学报. 2023, 23(1):  115-123.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222009

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为解决实际生产中氟化铝生产残渣(简称硅渣)难利用问题，以云南某地硅渣为研究对象，以浓硫酸为酸化浸出介质，以浸出率为指标，以单因素实验为基础，研究了酸化过程中酸用量、反应温度、反应时间的影响。结果表明，最佳酸化条件为：加入理论酸用量(23.66 g) 1.3倍的浓硫酸，反应温度170℃，反应时间90 min，该条件下SiO2的纯度迅速提升至大于99.00%，Al浸出率大于99%，F浸出率大于97%；该反应为液-固多相反应中的收缩未反应核模型，反应活化能为62.97 kJ/mol，浸出过程由化学反应控制。该方法的提出对硅渣的利用提供了一种新思路，具有反应时间短、耗水少、酸化后有价元素浸出率高的优点。

Na₂O-TiO₂-SiO₂-CaO-Al₂O₃-V₂O5-MnO-MgO-FeO渣系渣铁间硫分配比热力学模型

尹学杰 陈德胜 王丽娜 赵宏欣 甄玉兰 齐涛 王猛

过程工程学报. 2023, 23(1):  124-135.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222055

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基于离子分子共存理论(IMCT)建立了Na2O-TiO2-SiO2-CaO-Al2O3-V2O5-MnO-MgO-FeO九元渣系的结构单元作用浓度模型和渣铁间硫分配比热力学模型，并对模型进行实验验证。通过模型计算出1200℃下渣系主要结构单元组成和渣中Na2O, CaO, MnO, MgO和FeO的活度，发现Na2O的加入可促进渣中低熔点物质的生成，降低渣系熔化性温度，改善脱硫反应的动力学条件；同时随着Na2O加入量的增加，渣中Na2O和CaO的活度增加，进而降低渣中S2?离子活度，强化渣铁间脱硫反应。实验结果表明，增加碱矿比提高了渣铁间硫分配比，有利于铁水深度脱硫，铁水中硫含量可降至0.0005wt%以下，硫分配比的理论计算值与实验结果吻合极好。渣中各碱性氧化物的硫分配比随碱矿比RN/C增加逐渐增大，各碱性氧化物硫分配比大小为Na2O>CaO>MnO>FeO>MgO。本研究将共存理论模型成功应用到九元复杂渣系渣铁间脱硫反应机理研究，为铁水深度脱硫过程的渣系优化提供了理论依据。

几种多孔电极材料镓电沉积性能的研究

刘玲 蔡楚楚 董彬欣

过程工程学报. 2023, 23(1):  136-143.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222200

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在工业上，稀散金属镓通常是从碱性溶液中电解提取得到的。在镓电解过程中，由于析氢副反应和传质速率低的原因导致镓电沉积的电流效率很低。本工作采用三维多孔电极电沉积镓，利用三维多孔电极发达的表面积促进镓电沉积过程，研究了不同电极材料(泡沫金属和多孔碳)的析氢特性，结合不同电解温度和电流密度下各材料的镓电沉积行为，揭示三维多孔电极上镓电沉积的特性规律。结果表明，泡沫铜和石墨毡(GF)具有较低的析氢活性，但两种电极的镓电沉积性能差别很大。其中泡沫铜表现出最佳的镓电沉积性能，在温度为40℃、电流密度为0.1 A/cm2条件下镓电沉积的电流效率(QE)达到22.5%，远高于铜片电极(10.7%)；而相同条件下，GF电极的QE值仅为9.6%，低于铜片，这与电极表面的疏水性有关。具有较高析氢活性的泡沫铁、泡沫镍和网状玻璃碳(RVC)电极的镓电沉积过程受电解温度和电流密度的影响较大。在高电流密度下，泡沫铁电极表现出仅次于泡沫铜的QE值，在低电流密度下难以发生镓的电沉积；泡沫镍和RVC电极仅在低于镓熔点(20℃)的条件下发生镓的电沉积，在高于镓熔点(40℃)的条件下，由于电沉积的液态镓的活性较高，容易返溶，难以实现镓的析出。因此，电极材料的析氢活性对镓电沉积性能有较大影响，影响镓电沉积电流效率的关键因素还有电解温度、电流密度及电极表面的亲疏水性。

丙烷脱氢反应气分离提纯丙烯和氢气过程严格模拟与能效评估

陆炫彤 赵金 邓春

过程工程学报. 2023, 23(1):  144-153.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221334

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丙烷脱氢(PDH)是生产丙烯产品的重要方式之一，丙烷脱氢反应气组分复杂，为获得聚合级丙烯和纯度不小于99.90 mol/mol的氢气产品，在Aspen软件中对丙烷脱氢反应气分离和富氢尾气回收氢气的过程进行建模和模拟，分离过程包括醇胺脱碳、压缩深冷、脱乙烷、丙烯精馏和变压吸附单元。为了合理利用丙烯精馏塔的能量，对丙烯精馏塔进行能量集成，采用变压吸附工艺回收氢气并对分离过程工艺参数进行灵敏度分析及优化工艺参数，以提高经济性和能效。模拟结果可得到符合要求的丙烯和氢气产品，单位产品能耗分别为267.46 kg标准油/t丙烯产品，474.44 kg标准油/t氢气产品。

基于微小槽道的冷媒直冷电池热管理系统性能研究与优化

王肖军 张恒运 黄兴华 李康

过程工程学报. 2023, 23(1):  154-162.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222043

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本工作以基于微小槽道换热器的小型蒸气压缩系统为研究对象，对冷媒直冷电池热管理系统进行研究。确定了系统最佳冷媒充注量，总结了不同参数对系统热管理性能的影响规律，最后根据模型分析提出降低排气温度的改进方案。基于能效比(COP)最高的指标，确定系统冷媒最佳充注量为250 g。在固定加热功率条件下，随膨胀阀开度(OEV)的增加，微小槽道内的换热系数持续升高，而电池温度出现先降低后升高的趋势，因此存在最佳OEV使得电池温度最低；随电池模组加热功率增加，最佳OEV对应的蒸发器出口干度逐渐降低，虽然微小槽道换热系数有所升高，但是更快的加热功率增大速率使得电池温度升高；环境温度的升高对系统热管理性能产生不利影响，但是在35℃的高温环境下，电池温度依然能够被冷却至环境温度以下。基于AMEsim模型分析表明，增加冷凝器换热面积的方案，能够有效降低排气温度。