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2025年 第25卷 第12期    刊出日期：2025-12-28

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过程工程学报. 2025, 25(12):  0. 

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研究论文

间接式熔盐电加热炉流动及传热特性研究

任永苍 柳楠 孙凤枝 贾春桦 郭新勇 黄春建 赵卫东 王冠达 张瑞 王娟

过程工程学报. 2025, 25(12):  1227-1237.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225066

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为满足绿色环保的节能减排需求，充分利用熔盐耐热稳定性好的优势，提出了一种熔盐间接加热的管壳式电加热炉。基于自然对流模型和Boussinesq假设，采用数值模拟方法对加热炉封闭空间内的熔盐及导热油的流动与传热特性进行了研究，并分析电加热管的不同表面热强度对电加热炉内流动及传热特性的影响。研究结果表明：炉内熔盐受热后膨胀产生的密度差和温度差，形成密闭空间内的自然对流换热，表面热强度为设计值时熔盐平均流速为0.00613m/s，平均温度为409.3℃，在电加热管横截面上形成从底部高温加热管区域至上部导热油管的对称环形循环流动，强化了炉内的自然对流和传热效果；炉内整体流场和温度分布呈现稳定和均匀性；电加热管释放的热量，经过中间介质熔盐的间接加热使导热油进出口温度增加13.1℃，可以满足工艺需求。电加热管热强度超过设计值时，炉内熔盐自然对流循环流动明显增强，湍动程度增加，电加热管上方熔盐与周围存在明显速度边界，正向影响炉内流动及传热特性。

水泥回转窑四通道煤粉燃烧器操作条件优化模拟

王蓝欣 关晶 田于杰 刘银杰 李飞 叶家元 许成文 申峻 卢春喜 王维

过程工程学报. 2025, 25(12):  1238-1247.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225075

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水泥回转窑燃烧器作为水泥烧成系统的核心装备，其性能对水泥生产效率和质量具有重要影响。由于回转窑内部的高温复杂反应过程难以全面测量，燃烧器性能的评估往往依赖于经验，缺乏理论指导。为此，本研究通过计算流体力学(CFD)对煤粉燃烧过程进行模拟，以实现水泥回转窑燃烧器的优化。模拟结果表明，随着轴流风速在合理范围内增加，气相温度显著升高，高温区域扩大，氧气消耗速率增大，二氧化碳生成速率增大，一氧化碳质量分数降低，燃烧效率提高。旋流风速增加对温度场影响相对较小，但能显著改善煤粉与空气的混合效果，促进燃烧。以此为基础，通过增大轴流风速和旋流风速对燃烧器性能进行优化，优化结果改善了窑内的温度场和组分场，影响了熟料矿物成分，其中C3S和C4AF含量增加，C2S和C3A含量减少，对水泥性能产生积极影响。本工作通过数值模拟方法深入分析了轴流风速、旋流风速对水泥回转窑燃烧器性能的影响，为燃烧器的优化设计提供了理论支持，提出的燃烧器优化方案有效改善了窑内温度场和组分场的分布，提高了燃料的燃烧效率和熟料质量。

自激振荡脉冲射流器液-液非均相混合特性分析

程亚龙 张昆明 张美琪 陆小菊 黄永春 唐湘毅 刘灵惠

过程工程学报. 2025, 25(12):  1248-1261.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225094

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自激振荡脉冲射流器因结构简单、可产生无源振荡空化，且易于实现工程化应用而备受关注。但是，目前该射流器的研究对象以均相水介质体系为主，对于多相介质流动与混合特性的研究匮乏，这限制了其在强化液-液非均相介质混合过程中的应用。本工作以油为连续相，水为分散相，采用数值模拟结合实验研究的方法，模拟了油-水非均相介质在射流器内的混合过程及分散相液(水)滴直径分布。结果表明，油-水非均相介质在射流器内能够产生脉冲空化射流及大小周期性变化的空化泡；谐振腔出/入口附近流体受湍流惯性力作用最强，混合效果最好；相较于蓄能状态，释能状态下谐振腔室内非均相流体受黏性剪切力作用更强，更有利于油-水两相间混合；湍流惯性力与黏性剪切力共同作用，促进了分散相液(水)滴破碎，强化了油-水非均相介质间的混合过程；射流器的混合作用可获得液(水)滴尺寸分布窄的分散相。

润湿性对聚结滤材过滤性能影响研究

张丽 尹琦岭 黄雪松 李楹 丁一航 谢宇辰 常程

过程工程学报. 2025, 25(12):  1262-1273.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225078

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天然气开采与输运过程中，夹带的油雾等杂质会直接影响管线中计量仪表、压缩机组等设备的可靠运行，由滤材制成的聚结过滤器是目前去除油雾等杂质的可靠设备。润湿性是影响滤材油雾过滤性能的重要因素，但其具体影响规律尚不明确。针对目前工业中使用的亲油滤材过滤效率低、过滤阻力高的问题，本研究系统性地研究了润湿性对滤材油雾过滤性能的影响。结果表明，滤材的油雾过滤性能随滤材疏油性的增强而提升，主要表现为油雾过滤效率增加及稳态压降降低。尤其是针对精度较低的滤材时，改性后的超疏油滤材相较未改性亲油滤材的过滤效率提高13.62%，稳态压降降低20.46%。在多层滤材搭配实验中发现，疏油性较高的滤材具有较高的过滤效率和较低的稳态压降，结合“跳跃-通道”模型分析，疏油性越高的滤材可减少液膜形成及夹带现象，从而降低通道压降。本研究的实验结果可为天然气管道输送工业中聚结过滤器滤材的优化提供可靠的选择。

脱铜阳极泥还原熔炼富集稀贵金属过程行为研究

马勇齐 徐娟 张福元 田勇攀 胡雨欣 任仰瑞

过程工程学报. 2025, 25(12):  1274-1284.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225137

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卡尔多炉熔炼技术是综合处理铜阳极泥的典型工艺，但目前对其关键组分的还原顺序及物相变化规律仍缺乏明确认知。本工作通过熔炼渣型模拟计算、还原过程热力学分析，结合熔渣与贵铅的微观表征，系统研究了脱铜阳极泥还原熔炼过程中稀贵金属捕集的物相演变规律。结果表明，脱铜阳极泥还原熔炼过程中，主要形成以PbSiO3和Na2Si2O5物相的PbO-Na2O-SiO2三元渣系；各元素的还原优先级顺序为Ag>Se>Te>Bi>Pb，主要成分PbSO4的物相演变历程为PbSO4→PbO?PbSO4→PbS→Pb；贵铅物相为PbSe, BiSe和AgTe，未出现元素单质的衍射峰；形貌分析显示，Pb和Se的分布区域高度重合，Ag和Bi呈互补分布特征，Te在整体区域内均匀分布，且Ag, Bi, Pb均有集中分布区域，存在偏聚现象及衬度差异；贵铅中Pb, Ag, Bi和Te元素均存在0价和正价，0价占比分别为64%, 88%, 52%和47%，Se以0价(38%)和负价(62%，主要为Se2-)存在。结合XRD和SEM表征结果可知，铜阳极泥在还原熔炼过程中，主要通过形成稳定的金属间化合物实现稀贵金属的捕集。

发泡温度对自发泡聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的影响

张鹏轩 白慧娟 丁成成 乔宇 王朵 徐俊波 杨超

过程工程学报. 2025, 25(12):  1285-1291.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225064

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聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫是一种具有优异热力学性能的硬质泡沫，广泛应用于航空航天、体育器械及医疗器械等领域。其性能受发泡剂影响，发泡剂在加热过程中分解产生气体的种类及总量均对PMI泡沫的泡孔大小、形貌、性能有显著影响。自发泡PMI泡沫的热力学性能受可共聚发泡单体的直接影响。本工作以丙烯腈(AN)、甲基丙烯酸(MAA)为聚合单体，丙烯酰胺(AM)为交联剂，偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，甲基丙烯酸叔丁酯(tBMA)为可共聚发泡单体，通过自由基聚合和自由热发泡工艺制备了轻质高强的PMI泡沫。tBMA分子中的叔丁酯基在发泡阶段受热分解成羧基和异丁烯，其中异丁烯的析出速率决定了PMI的物理结构，进而影响其性能。基于此，系统考察了不同发泡温度对PMI泡沫微观结构及宏观热力性能的影响。通过傅立叶转变红外光谱仪(FTIR)、场发射扫描电镜(SEM)、热重分析仪(TGA)、差示扫描量热仪(DSC)及万能试验机对PMI泡沫塑料的物理化学结构和性能进行分析。结果表明，随着发泡温度升高，PMI亚胺化程度升高，提升了泡沫的热稳定性；同时高的发泡温度也增大了泡孔尺寸，致使泡沫的密度和力学性能呈下降趋势。在200℃下进行发泡，泡沫具有较低的密度，为63 kg/m3，同时表现出优异的热稳定性和机械性能，玻璃化转变温度(Tg)为216.1℃，压缩强度达1.08 MPa。

丙烯酰胺-丙烯酸共聚过程转化率的原位拉曼光谱监测方法

温佳娴 常诚 顾雪萍 冯连芳 张才亮

过程工程学报. 2025, 25(12):  1292-1299.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225088

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丙烯酰胺-丙烯酸自由基共聚反应具有快引发、快终止的特性。单体转化率作为聚合过程的关键参数，亟需高时效性监测手段。通过原位拉曼光谱技术可以实现在线监测，但单体转化率对光谱特征域的影响机制仍缺少研究。在引发温度为1~30℃及复合引发剂质量比(偶氮/氧化还原引发剂)为0∶100~90∶10的条件下研究单体转化率与拉曼光谱的对应关系。基于碳骨架摇摆振动、丙烯酰胺C-N键伸缩振动及单体CH2和C=C伸缩振动特征峰，建立基于峰面积的分析方法。通过解析单体转化率与峰面积的关联，构建双单体转化率机理模型。在线监测结果与核磁共振氢谱对比，采用1386~1517 cm-1和1517~1732 cm-1特征域建立的光谱模型对丙烯酰胺、丙烯酸转化率预测的R2分别为0.989和0.981，验证集平均相对误差为2.14%。该方法可用于丙烯酰胺-丙烯酸自由基共聚过程的转化率实时监测，为高黏体系的在线质量监测提供了解决方案。

基于阳极氧化法的钛酸锂纳米管的制备

杨文 吴超男 谢娟 田勇攀 何世伟 赵卓

过程工程学报. 2025, 25(12):  1300-1307.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225115

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锂作为锂离子电池的关键材料，在新能源领域的需求急剧攀升。钛酸锂基锂离子筛因具备优异的锂选择吸附性能，在含锂复杂溶液体系的锂资源高效分离领域展现出广阔应用前景。本研究将阳极氧化与锂化退火工艺相结合，成功制备出表面开孔良好、与基底结合牢固的钛酸锂纳米管。实验以钛丝为基体、乙二醇为电解液，通过调控阳极氧化电压、氟离子浓度及氧化时间，先构筑TiO2纳米管阵列，再经锂化退火与酸处理获得锂离子筛。研究结果表明，当阳极氧化电压为40 V、NH4F质量分数为0.5wt%、阳极氧化时间为3 h，且额外施加10 V降电势处理5 min时，可制得形貌规整、与基底结合紧密的TiO2纳米管阵列；经锂化退火处理后，钛酸锂仍保留纳米管形貌，且酸洗处理后其平均孔径由50 nm增至65 nm。本研究通过阳极氧化-锂化协同策略成功构建了钛酸锂纳米管阵列，这一成果为新一代高性能钛酸盐提锂材料的研发提供了参考。

基于热电制冷的18650电池组热特性研究

于惠敏 马肖娜 严华夏

过程工程学报. 2025, 25(12):  1308-1318.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225082

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热电制冷器可以利用电能直接实现热能传递，借助PID (比例-积分-微分)温度控制器，热电制冷器能够实现精准控温，有效满足电池热管理需求。现有研究多聚焦于热电制冷与其他热管理技术耦合系统的结构优化，而针对各类影响因素的定量分析相对匮乏。本研究搭建了热电装置-电池组实验平台，利用Fluent软件建立了基于热电制冷的电池热管理仿真模型，并通过实验验证了模型的准确性。在此基础上，系统探究了电池初始温度、冷板表面温度及放电倍率对电池组热特性的影响。结果表明，在模拟参数范围内，电池初始温度升高会加大放电过程中的最高温度和最大温差，但对放电结束时的最高温度和最大温差影响较小，二者分别稳定在28.5~28.6和3.0℃。因此，在高温工况时，可预先给电池降温以满足热管理需求。降低冷板表面温度虽能减小电池放电过程中的最高温度，但会导致最大温差增大，当冷板表面温度为5℃时，电池放电过程最高温度降至17.5℃，而最大温差为5.4℃，故冷板表面温度不宜过低。电池放电倍率越高，电池的最高温度和最大温差也越大。敏感度分析表明，电池放电结束的最高温度对冷板表面温度的平均敏感度为0.527，表明通过调节冷板温度可提高热电制冷电池热管理系统的性能。

超声水热-离子液体介导法制备Mg-Zr氧化物用于碳酸二甲酯合成

刘琦 张亲亲 刘莹 李逸 苏倩 刘一凡 李雨浓 杨子锋

过程工程学报. 2025, 25(12):  1319-1333.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225108

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利用CO2合成碳酸二甲酯(DMC)是C1化学转化的重要应用，其中碳酸乙烯酯(EC)醇解反应制备DMC是该路线的关键步骤。工业催化剂甲醇钠具有高催化活性，但其过强的碱性对设备提出了严格要求，且使用后无法回收利用，增加产品分离难度的同时造成了环境负担。双金属氧化物催化剂凭借其可调控的Lewis酸碱双活性位点及结构可设计性等优势，被视为醇解反应的理想非均相催化材料。然而，现有研究仍面临催化剂活性与稳定性难以协同优化、催化剂构效调控规律不清晰、制备路线繁冗和催化条件苛刻等关键科学问题，且针对该反应的双金属氧化物催化剂的强化合成策略也尚缺少深入研究，制约了非均相催化体系的设计及在DMC合成中的应用。因此，本研究创新性地提出了超声水热-离子液体介导法调控策略，以[Bmim]BF4离子液体为导向模板剂，通过超声辅助水热法成功构建了活性和稳定性俱佳的Mg-Zr双金属氧化物催化剂(UIL-MgZrO)，系统研究了离子液体介导与不同强化制备手段的耦合作用对催化剂晶体生长、晶相演变及表面特性的影响机制，揭示了协同调控金属氧化物活性位点的作用规律，从而改善双金属氧化物的催化效率。在醇解过程中，所制备的UIL-MgZrO催化剂在温和条件(90℃，1 h)下实现了72.1%的EC转化率和99.9%的DMC选择性，其性能指标处于目前已报道的非均相体系醇解的较高水平。本研究为金属氧化物表面结构性质的精确调控提供了新策略，为CO2合成碳酸酯工艺提供了技术支持。

阴离子掺杂诱导高熵氧化物多缺陷调控：结构稳定性与储锂性能增强

鲍梦凡 韦正兵 徐世彪 程怡 陈诗洁 檀杰 郑翠红 林娜 冒爱琴

过程工程学报. 2025, 25(12):  1334-1348.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.225175

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为了进一步提升高熵氧化物负极材料的结构稳定性及电子/离子传输动力学，本研究以尖晶石型(Cr0.2Fe0.2Mn0.2Ni0.2Zn0.2)3O4高熵氧化物为研究基础，采用溶液燃烧法，通过S2-阴离子掺杂策略调控其本征缺陷与微观结构，成功制备了具有可控氧空位和晶格畸变及介孔网状结构的尖晶石型(Cr0.2Fe0.2Mn0.2Ni0.2Zn0.2)3O4-xSx (x=0, 0.15, 0.3, 0.6, 0.9)高熵氧化物锂离子电池负极材料。电化学测试结果表明，(Cr0.2Fe0.2Mn0.2Ni0.2Zn0.2)3O3.7S0.3 (S0.3)电极展示了优异的循环稳定性和倍率性能，在200 mA/g下循环150圈后可保持1513 mAh/g的可逆放电比容量，在1000 mA/g下循环350圈后仍具有310 mAh/g的放电比容量。其优异的电化学性能主要归因于：一方面，适量S2-掺杂不仅增加构型熵，还能缓解晶格畸变并降低氧空位浓度，从而显著提升电极材料的循环稳定性；另一方面，晶格畸变、氧空位与晶粒尺寸的协同优化显著改善电子/离子传输(S0.3的电导率高达22.4 S/m，且DLi?较大)并有效提升赝电容贡献率。本研究为兼具结构稳定性、高能量密度与长循环寿命的锂离子电池负极材料设计提供了新思路与实验基础。