过程工程学报

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过程工程学报. 2026, 26(10): 0.

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PFAS环境归趋与降解机制的计算化学研究进展

吴晓佩曹梅娟康海宁宋巧乐裴璐尧王耀辉杨霁邱冬冬向昀李鸿玮佘远斌

过程工程学报. 2026, 26(10): 1051-1068. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225327

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全氟和多氟烷基物质(PFAS)因C-F键的强化学和热稳定性，被广泛应用于不粘锅涂层、消防泡沫、防水产品等领域，但也因其难以降解，引发了全球性的环境污染问题。本工作综述了PFAS的环境归趋，包括20世纪中叶工业化以来的污染起源、全球污染分布特征、多介质迁移机制以及传统治理技术在效率、成本和二次污染等方面的局限。聚焦计算化学方法论，阐述其在分析PFAS电子结构、反应机理、与环境基质相互作用及分子运动模拟中的应用。探讨数据驱动材料设计(高通量筛选、机器学习预测吸附容量、催化活性)及降解路径智能解析(反应网络建模与催化剂活性位点优化)的研究进展，及其在高效吸附材料开发、高效降解技术研发中的价值。结合多尺度模型耦合、实验与模拟闭环验证等学科交叉方向，分类剖析了PFAS的吸附机制、结构破坏路径与生物积累规律。展望了计算化学与多学科融合开发智能监测与高效治理技术的前景，计算化学可突破传统实验周期长、成本高的局限，精准阐释PFAS的分子特性与反应本质；数据驱动材料与智能解析可加速PFAS治理材料与降解技术的研发进程。因此计算化学与多学科的深度融合是实现PFAS高效防控与风险精准评估的核心路径，可为相关研究提供系统性理论支撑和技术参考。

基于CFD-DEM的螺旋气流磨颗粒破碎行为建模与预测

张福宁杜少华周强

过程工程学报. 2026, 26(10): 1069-1078. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225328

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螺旋气流磨作为一种高效超细粉碎设备，在化工、材料、医药等领域具有广泛应用，其粉碎性能直接决定了产品的质量和能耗水平。在螺旋气流磨中，颗粒的破碎行为复杂，同时受碰撞频率和冲击能量的综合影响，因此准确预测该过程中不同阶段的颗粒破碎率及产物粒径分布是研究装置性能、评估粉碎效率的关键前提。基于此，本工作提出了一种基于计算流体动力学-离散元方法(Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method, CFD-DEM)的耦合模拟与建模方法，通过获取颗粒冲击能量分布，能够对长周期运行下螺旋气流磨内的颗粒破碎率及产品粒径分布进行有效预测。该方法首先依据CFD-DEM模拟结果统计得到颗粒碰撞能量的概率密度及其累积分布，在此基础上通过蒙特卡洛随机碰撞模拟生成各颗粒在整个运行周期中的累计碰撞能量序列；随后建立基于碰撞频率和冲击能量的颗粒破碎率与产物粒径分布关联模型，并通过实验数据对模型参数进行标定验证。结果表明，该方法不仅能揭示磨腔内颗粒的运动、分布与碰撞细节，还可在长周期条件下较准确预测颗粒破碎率与粒径分布变化规律，从而为不同操作条件下的粉碎性能预测与工业级螺旋气流磨的设计优化与工艺调控提供可靠的预测模型和理论支撑。

倒锥型快速流化床反应器的气固流动特性实验研究

王豪耿素龙龚剑洪张同旺

过程工程学报. 2026, 26(10): 1079-1089. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225322

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针对重油高效催化裂解(RTC)增产低碳烯烃技术，结合其独特反应器结构特点，建立了一套提升管与倒锥型快速流化床反应器冷模实验装置。在快速流态化流域内，采用差压传感器和光纤颗粒浓度测量仪测定倒锥型快速流化床反应器内不同表观气速与颗粒循环速率时固含率沿轴向和径向的分布规律。结果表明，在表观气速为2.39~3.35 m/s，颗粒循环速率为16.38~46.74 kg/(m2?s)的操作范围内，床层轴向固含率呈现“上稀下浓”的分布特征，径向固含率呈现边壁浓、中间稀的环-核分布；随颗粒循环速率增大或表观气速减小，反应器内平均固含率增大，同时颗粒分布不均匀性增加。颗粒循环速率为15 kg/(m2?s)时，随表观气速由2.39 m/s增大至3.35 m/s，轴向不均匀指数ANI(εs)由0.661减小至0.378。在轴向高度为H=3.45 m时，当颗粒循环速率由15.18 kg/(m2?s)增大至37.04 kg/(m2?s)，反应器下段密相区径向不均匀指数RNI(εs)由0.210增至0.256；为提高反应器内颗粒轴向分布均匀性，在反应器上部补充催化剂颗粒，补剂后，轴向不均匀指数由0.485降至0.376，一定程度上缓解了“上稀下浓”的分布缺陷，同时反应器内平均固含率由0.078增至0.123；在平均表观气速2~3 m/s的重油高效催化裂解技术操作条件下，倒锥型快速床反应器内的平均固含率相比于提升管反应器提高约5.66倍，为提高重油催化裂解效率提供了有利条件。

基于PPA和DSVDD的化工过程故障检测

王明婷姜顺

过程工程学报. 2026, 26(10): 1090-1099. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225263

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化工过程常涉及高温、高压、有毒介质，高效的故障检测对保障化工系统安全稳定运行至关重要。此类过程的变量往往呈现高斯与非高斯混合分布的特征，且存在复杂的非线性耦合，而现有方法依赖高斯分布假设或对混合分布过程采用统一处理策略。为此，本工作研究一种基于主多项式分析(Principal Polynomial Analysis, PPA)和深度支持向量数据描述(Deep Support Vector Data Description, DSVDD)的双子空间故障检测方法。首先通过Kolmogorov-Smirnov (K-S)检验评估过程变量正态性，将变量划分为高斯子空间和非高斯子空间；然后在高斯子空间建立PPA模型，通过多项式映射提取高斯变量的复杂非线性特征，在非高斯子空间构建DSVDD模型，通过深度神经网络提取非高斯变量的非线性特征；最后，通过贝叶斯推理将双子空间的检测统计量进行融合，构造新的综合统计量进行故障检测。通过田纳西-伊斯曼(Tennessee-Eastman, TE)过程对所提方法进行验证，将PPA?DSVDD双子空间方法与PPA和DSVDD及其对应子空间检测结果进行比较，并与主成分分析、独立成分分析及基于变量分布特征的过程监控方法进行对比分析。结果表明，本工作的方法通过解决分布差异和非线性问题，有效增强了复杂化工过程的故障检测能力，对保障化工过程安全稳定运行具有一定的实际意义。

聚焦光束反射测量监测蔗糖结晶过程及动力学分析

王成龙唐湘毅黄永春黄凯黄承都张昆明

过程工程学报. 2026, 26(10): 1100-1108. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225329

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蔗糖属于国家战略储备资源，作为食物能够快速提供人体所需的能量，同时也是重要的工业原料之一。在蔗糖的工业生产过程中，蔗糖结晶工序属于制糖的核心环节，通过调节晶种添加量、糖液浓度、体系温度及搅拌速率，可得到理想的晶体形貌、粒径分布，进而提高最终产品的质量和产量。研究蔗糖结晶特性及结晶动力学对提高工业制糖效率、降低能耗、提高产品质量有着重要意义。由于蔗糖溶液具有黏度高、导电性差等性质，因此蔗糖结晶过程中的表征手段有限，传统离线取样检测方法难以实时监测过程中颗粒的变化，而聚焦光束反射测量技术(FBRM)能够直接将探头浸入糖液环境中记录颗粒的弦长分布，实现蔗糖结晶过程的实时监测。本工作使用FBRM在线监测了蔗糖的结晶过程，起晶操作是向低过饱和度蔗糖溶液中加入晶种，以此诱发结晶过程，实时记录结晶过程中蔗糖颗粒的弦长分布变化，研究不同晶种添加量、温度、过饱和度及搅拌速率对蔗糖结晶的影响。本工作统计并分析了蔗糖颗粒的弦长分布变化数据，得到特定条件下的晶体成核率和晶体生长率等结晶动力学数据，并将结晶动力学数据拟合出二次成核经验式，完善了蔗糖结晶的基础数据，为蔗糖工业生产优化提供理论基础。

基于错配度计算稀土夹杂物诱导钢中含锑相异质析出

张婷婷陈龙李阳黄明陶素芬夏云进孙桂林

过程工程学报. 2026, 26(10): 1109-1120. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225323

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本工作针对废钢循环利用过程中残余元素锑(Sb)在钢中积累导致的晶界偏聚和高温脆性问题，研究了稀土夹杂物诱导含锑相异质析出的机制。通过二维点阵错配度理论计算了代表性稀土夹杂物(Ce2O3, Ce2O2S, CeS)与FeSb相的晶格匹配度，并结合高温熔炼实验验证其形核效能。结果表明，Ce2O3 (0001)/FeSb (0001), Ce2O2S (0001)/FeSb (0001)和CeS (111)/FeSb (0001)的二维错配度分别为2.22%, 1.53%和2.92%，均低于有效形核阈值12%，表明这些夹杂物可作为FeSb异质形核核心。实验发现，添加稀土铈(Ce)后，钢中夹杂物从Al-O, MnS转变为含锑稀土复合夹杂物(如Ce-Sb, Ce-O-Sb)，且单位面积夹杂物数量从S-1的29个/mm2增至S-3的137个/mm2，平均尺寸从1.1 μm显著增加至3.1 μm，有效降低了固溶锑含量。本研究为利用稀土夹杂物控制锑析出、减轻晶界偏聚提供了理论依据，对高废钢比电炉钢的质量提升具有重要意义。

磁控溅射TiO₂薄膜转盘反应器光催化降解亚甲基蓝动力学研究

周杰王东祥袁方洋杨新俊杜继芸于伟

过程工程学报. 2026, 26(10): 1121-1134. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225315

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本研究针对有机染料处理，构建了基于转盘反应器(SDR)的负载型TiO2光催化降解体系。利用磁控溅射技术制备了具有高催化活性的锐钛矿型TiO2薄膜，并系统探究了转盘转速、流量、初始亚甲基蓝(MB)浓度及进液方式对MB降解性能的影响规律。实验结果表明，在转速为200 r/min、流量为2.0 L/min时，反应器达到最佳传质与反应效率；过高的转速(>200 r/min)会导致液膜滑移和光散射增强，从而抑制降解反应。动力学分析揭示了体积反应速率常数(kappv)与表面反应速率常数(kapps)的差异化响应机制：kapps随雷诺数比α升高显著降低，表明进口冲刷效应与转盘剪切存在竞争效应，进口冲刷引发的底物界面更新在传质强化中占据主导；而kappv则受液膜体积增大的稀释效应制约。基于无量纲分析，建立了包含Rein和周向雷诺数(Reω)的表面反应速率常数预测关联式，预测偏差控制在±16%以内。本研究阐明了SDR中液膜厚度、停留时间、壁面剪切率、雷诺数比与光催化效率的构效关系，为强化光催化过程提供了理论依据和工程参数。

泡沫金属制备高导热复合相变材料研究

章泽恺郁震扬李娇杨臣豪楚化强

过程工程学报. 2026, 26(10): 1135-1147. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225294

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相变材料在热管理、光热转换及电热储能等领域展现出广阔的应用前景。然而，相变材料普遍存在的低导热性能和相变过程中的泄漏问题，严重限制了其实际应用效果。为克服上述瓶颈，本工作采用膨胀石墨和泡沫金属分级封装相变材料，构建三维高导热强化结构，利用激光导热仪、差示扫描量热仪分别对复合材料的导热性能与相变潜热进行系统表征，以评估其综合储热能力。研究结果表明，膨胀石墨的孔隙毛细作用力与表面张力，有效束缚液态石蜡，防止其泄漏。泡沫金属三维连续网络结构的引入，构建了高效的热传导通路，显著提升了复合材料的导热性能。其中，具有10 PPI孔径的泡沫铜复合相变材料表现出最优的导热性能，导热系数高达8.747 W/(m?K)，相较于纯石蜡的0.190 W/(m?K)，提升约46倍，显示出卓越的热传导增强效果。在实际应用场景测试中，该复合相变材料在热管理、光热及电热系统中均表现出优异的热调控与储能性能，具备良好的工程适用性。

废旧电路板与铜精矿协同熔炼：Sn, Pb, Zn元素分布规律

刘岩朱云锋李博魏永刚

过程工程学报. 2026, 26(10): 1148-1159. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.226011

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废旧电路板富含铜、锡、铅、锌等有价金属，具有显著的资源回收潜力，但其火法回收过程中Sn, Pb, Zn等易挥发元素的迁移行为直接影响金属回收效率与污染物排放。本工作系统研究了废旧电路板与铜精矿协同熔炼过程中温度、CaO添加量、Fe/SiO2质量比及富氧浓度等关键工艺参数对Sn, Pb, Zn在三相(气相、渣相和铜锍相)中分配规律的影响，借助微观表征手段并结合热力学计算，阐明了其在各相中的赋存形态与迁移机制。结果表明，Sn主要分布于气相，其次为渣相与铜锍相；Pb同样优先进入气相，随后分布于铜锍相与渣相；Zn则主要富集于渣相，其次为气相与铜锍相。通过调控协同熔炼工艺参数，可实现目标元素的定向迁移：升高温度可显著促进Sn和Pb向气相挥发；而将Fe/SiO2质量比与CaO添加量控制在适宜范围，则有利于Zn在渣相中选择性富集。微观表征证实，铜渣中Sn以SnO、Pb以PbO、Zn以ZnFe2O4形式存在；而铜锍中Sn与Cu形成金属间化合物，Pb以合金形式富集，Zn以ZnS形式分布。本研究为废旧电路板与铜精矿协同熔炼过程中杂质元素的定向调控与资源化回收提供了实验依据与理论参考。

溶剂热法制备Mn_xFe₃O₄结核纳米颗粒及其对环丙沙星的去除机理

章蓝月都刚徐文豪徐富佳廖炜李晖李明晖李灿华毛康孟晓燕

过程工程学报. 2026, 26(10): 1160-1172. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.226006

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环丙沙星(CIP)作为典型抗生素，可破坏海洋微生物群落结构，对生态系统稳定性及人类健康构成严重威胁。铁酸锰(MnxFe3O4)结核纳米材料凭借其比表面积大、化学性质稳定、可快速磁分离的独特优势，其在CIP去除中的应用潜力为抗生素污染治理提供了新路径。本研究采用溶剂热法制备MnxFe3O4结核纳米材料，系统探究其对CIP的去除效能及关键影响因素。结果表明，在溶液pH 3~9、温度313.15 K左右及CIP中低初始浓度条件下，MnxFe3O4对CIP展现出最优去除效果；吸附动力学与吸附热力学证实，该吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型，吸附机制以化学吸附为主，且Langmuir模型计算得出其吸附容量达32 mg/g；热力学分析表明，MnxFe3O4对CIP的吸附过程均为自发进行。低成本制备的MnxFe3O4材料具有环境友好和高效稳定的特性，为环境中CIP污染的高效治理提供了可靠技术支撑，对保障生态环境安全具有重要实践价值。

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