过程工程学报

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过程工程学报. 2025, 25(4): 0.

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钛渣三相电弧炉内自焙电极的焙烧模拟

刘泉管小平杨宁肖军

过程工程学报. 2025, 25(4): 323-331. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224185

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在钛渣电弧炉冶炼过程中，自焙电极烧结的好坏决定了电弧炉能否正常运行。本文以攀钢钛渣三相电弧炉为原型，建立了交变电磁场耦合温度场的多物理场模型，开发了电磁场、温度场快速计算方法，并对比了实心/中空自焙电极焙烧过程中的电流密度、焦耳热以及温度分布规律。结果表明，实心/中空电极的电流密度分布均出现“中心低，边壁高”的分布，即集肤效应，且中空电极的集肤效应弱于实心电极，即电流分布相对更均匀。此外，实心/中空电极的开始焙烧温度均位于导电原件接触区域内，满足焙烧要求。同时，实心/中空电极到达焙烧平衡时的时间分别约为13.4 h和12.8 h，中空电极的焙烧时间相对缩短4.3%。

两椭球形湿颗粒间液桥的形状和气液界面能量模拟

王文哲姚桂焕

过程工程学报. 2025, 25(4): 332-340. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224247

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湿颗粒物质广泛地存在于自然以及生产生活中。针对两垂直平行放置的椭球形湿颗粒相对旋转过程中形成的中心液桥，采用Surface Evolver软件对其形状展开研究，分析了接触角、旋转角度、重力等参数的影响。结果表明，液桥形状是一个非圆弧假设的旋转对称体，接触角变化会改变液桥形状，旋转角度、重力均使得液桥中心垂直截面轮廓线从椭圆线向双曲线转变，重力使得上下颗粒上的接触线发生移动，而颗粒旋转会导致接触线收缩；液桥气液界面面积与颗粒相对角度呈正弦函数关系。对重力下维持液桥所需的最小体积进行了研究，表明其与接触角呈二次函数关系，并随着液体密度增大而增大，而且接触角90°左右时维持液桥所需体积最小。

变径圆管内离散气泡运动行为及变形特性

李枫明亮邢雷蒋明虎赵立新关帅

过程工程学报. 2025, 25(4): 341-353. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224229

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离散气泡在变径圆管内的变形动力学行为是指导气液两相介质输运及分离的重要理论。针对变径圆管结构，开展不同雷诺数及气泡粒径条件下的变径场域内离散气泡的运动行为研究。分析不同入口雷诺数下变径圆管内的流型流态、速度场以及气泡变形特性，探索变径圆管内流场特性与离散气泡间的相互作用规律。结果表明，气泡使其周围的流体速度变化，造成速度梯度增加，致使其周围流场的湍动能上升；此外，随着入口雷诺数增大，气泡在流场内的破碎位置越趋向于突扩截面处，当入口雷诺数Re=5.16×103时，气泡的破碎距离最短为16.09 mm；当雷诺数不变，气泡半径从2.5 mm增大至4.5 mm时，气泡的无量纲最大变形量由0.26增加至0.67，数值模拟结果与实验结果呈现出较好的一致性。

二元颗粒在气固流化床内流动、混合特性的数值模拟(I)：轴向/径向流场分布特性

王贵方孔双祝李建姚秀颖范怡平卢春喜

过程工程学报. 2025, 25(4): 354-363. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224286

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在炼油/化工领域，一些新工艺涉及到两种功能/物性不同的催化剂颗粒与气相的混合及流动。本研究采用数值模拟的方法考察了Geldart A类和Geldart D类二元混合颗粒在气固流化床-提升管耦合反应器底部区域的流动特性。采用欧拉-欧拉多相流模型，考虑介尺度非均匀结构的影响，引入基于能量最小化多尺度原理的EMMS曳力模型，建立了气固流化床中二元颗粒的流动模型。通过分析二元颗粒体系的床层密度分布和床层压降分布的转折点，确定了密相区和稀相区的相交界面高度。沿床层轴向方向，通过对比床内两种颗粒的相对截面平均固含率，发现Geldart D类颗粒倾向于在床层底部运动；同时，大粒径/低密度颗粒和小粒径/高密度颗粒的二元颗粒体系的床层底部区域密度分布更稳定。沿径向方向，Geldart A类颗粒和Geldart D类颗粒均趋向边壁运动。定义相对固含率作为定量考察颗粒径向运动趋势的参数，发现Geldart D类颗粒较Geldart A类颗粒向边壁区域浓集的趋势更明显。

二元颗粒在气固流化床内流动、混合特性的数值模拟(II)：流场径向分布特性的力学分析

王贵方孔双祝李建姚秀颖范怡平卢春喜

过程工程学报. 2025, 25(4): 364-372. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224287

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由于二元颗粒存在物性差异，气固流动体系会呈现出复杂的流体动力学行为。通过对相对固含率进行比较，发现Geldart D类颗粒更倾向于在边壁富集，但目前少有研究对该现象形成的具体原因进行报道。通过引入Kutta-Joukowski横向力，对气固流化床-提升管耦合反应器底部区域二元颗粒所受横向力进行考察，进而分析了二元颗粒局部浓度/局部分率沿径向的分布特性。Kutta-Joukowski横向力在床内的分布并非均匀，根据颗粒相与气相的速度矢量差以及颗粒速度分布梯度对Kutta-Joukowski横向力沿径向分布的影响程度，对耦合反应器底部流化床进行分区，包括Kutta-Joukowski横向力均匀影响区(I区域)、速度梯度主导区(II区域)、气-固速度矢量差主导区(III区域)。结果表明，在I区域，Geldart A类颗粒和Geldart D类颗粒向边壁运动的趋势相当，促使颗粒相沿径向均匀分布；在II, III区域，Geldart A类颗粒和Geldart D类颗粒均受到指向边壁的Kutta-Joukowski横向力，进而呈现中心低、边壁高的类“环-核”不均匀分布。在II区域Geldart D类颗粒受到的Kutta-Koukowski横向力更大，导致其向边壁聚集的趋势更明显。而在III区域，Geldart A类颗粒和Geldart D类颗粒向边壁运动的趋势均较弱。

面向新能源消纳的新型重力热管储能单元设计及其性能研究

张舒程远林余虎张毅谢锦林廖兴炜章仁刘昌会顾彦龙

过程工程学报. 2025, 25(4): 373-381. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224288

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在全球气候变化问题日益严重的背景下，推动能源结构转型，减少对化石燃料的依赖，提高新能源的消纳能力，已成为必然趋势，在能源消耗占很大比重的建筑供暖领域更是如此。本工作设计了一种新型的翅片结构方形液腔及重力热管耦合的储能及供暖单元，并通过搭建储热平台对该储能单元的壁温特性、启动特性、传热性能及均温性能进行实验探究。随后，对该单元储放热特性进行综合评价，研究发现，该储能单元中耦合的新型重力热管对储能过程的启动特性、传热特性及均温性能均起到重要作用，其最低传热热阻低至0.018℃/W，最大等效导热系数可达239.15 kW/(m?℃)。最低启动温度仅为56.9℃，最低均温系数可达0.009。单元最大供暖系数可达3.83。该新型储能单元的设计及研究结果对移动式供暖单元及分布式能源的综合利用具有重要参考价值。

湿式弦栅协同作用下的新型线板式电除尘实验研究

丁厚成薛亚芹邓权龙张文静陈圳杨

过程工程学报. 2025, 25(4): 382-388. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224304

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为提高工业上对细颗粒物的除尘效率，基于传统的湿式弦栅过滤除尘及电除尘理论，将湿式除尘与电除尘分区布置，搭建了湿式弦栅协同作用下的新型电除尘实验系统，通过单一静电除尘实验探究了波纹极板的波长与振幅在不同电压、风速下对除尘效率的影响，并获取波纹极板最佳的波长值与振幅值；通过复合湿式电除尘实验探究了电压、风速、雾化压力对除尘效率的影响，并验证了波纹极板作为收尘极板时在湿式电除尘系统中的除尘效果。结果表明，单一静电除尘中的除尘效率与电压成正比，与风速成反比；不同波长、振幅的波纹极板的除尘效率在不同的电压、风速条件下较平板均显著提高，其中振幅对波纹极板的除尘效率的影响更为显著，波长为150 mm、振幅为60 mm的波纹极板除尘效率最佳；复合湿式电除尘系统的除尘效果相较于单一电除尘系统显著升高，复合湿式电除尘系统中的波纹板与水组合的除尘效率高于平板与水组合的除尘效率，除尘效率随着风速、雾化压力增加先增加后降低，与电压成正比；当电压、风速、雾化压力分别为30 kV, 0.6 m/s, 6 MPa时，该系统除尘效率最高达到96.08%。

CeO2/氮掺杂碳材料表面结构调控及染料去除性能

黄耀华张浩刘妍绮王冰慧饶日川

过程工程学报. 2025, 25(4): 389-398. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224210

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本工作通过控制硝酸铈和三聚氰胺的投料顺序，调节了CeO2/氮掺杂碳复合材料的表面结构。通过透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和Zeta电位等表征技术，发现投料顺序对CeO2/碳氮复合材料的氮含量、CeO2分散性、表面电荷分布、孔的结构及比表面积产生显著影响。相对于先加入三聚氰胺制备的CeO2/碳氮复合材料(MCe)，先加入硝酸铈制备的CeO2/碳氮复合材料(CeM)尽管具有较低的比表面积和不太理想的孔结构，但由于其具有更高的氮含量，促进了CeO2在复合材料中的分散；此外，Zeta电位测试表明，CeM样品表面主要带正电荷，由于刚果红在溶液中主要以阴离子形式存在，能与带正电荷的样品表面形成静电吸附作用。因此，先加入硝酸铈所制备的CeO2/碳氮复合材料展现出更高的刚果红去除效率。

古陆相沉积型稀土矿浸出渣中有价金属在硫酸溶液中的浸出行为

毛兴宇敖先权曹阳郭妤

过程工程学报. 2025, 25(4): 399-407. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224199

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古陆相沉积型稀土矿是一种新型稀土矿，对稀土矿浸出渣进行金属元素分离提取，可提高稀土矿的利用价值和解决固废处置难题。本工作采用硫酸溶液浸出稀土矿浸出渣，探究硫酸溶液对Al, Fe和Ti浸出行为的影响和反应机理。研究结果表明，硫酸溶液可以有效溶解稀土矿中的硅铝酸盐和赤铁矿，选择性地浸出Al和Fe，锐钛矿不易与硫酸反应，因此Ti的浸出率较低。通过单因素和正交实验优化反应条件，在反应温度115℃、反应时间6 h、酸渣质量比2.1 g/g和液固比4 g/g的最佳反应条件下，Al, Fe和Ti浸出率分别达到86.44%, 94.00%和7.14%。浸出液通过硫酸铝铵法可将Al和Fe有效分离，并制得Al2O3。

苯磺酸钠-硫酸钠-水三元体系相平衡及热力学特性

易嘉惠廖本仁陈鹏魏静玉姚涵黄惠婷卢智昊张乐华

过程工程学报. 2025, 25(4): 408-415. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224274

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工业有机磺酸废水中含有高浓度的无机盐和多种磺酸盐，对其有效处理和分离回收面临挑战。因此，本工作采用等温溶解平衡法和湿固相法探究了苯磺酸钠(BSNa)-硫酸钠(Na2SO4)-水(H2O)三元体系在273.15, 283.15和313.15 K下的相平衡数据，并利用van't Hoff方程对其溶解过程的热力学进行了研究。相平衡研究表明，该体系在313.15 K时存在1个共饱和点、2个单变量曲线及由BSNa, Na2SO4及其共晶组成的3个结晶区。而在273.15和283.15 K下，该体系仅存在1个共饱和点、1条单变量曲线和2个结晶区，对应于Na2SO4?10H2O及BSNa和Na2SO4?10H2O的共晶，未见BSNa的结晶区和溶解度曲线，表明该体系在低温下分离更易得到纯盐，且在283.15 K下进行分离的能效比更高。热力学研究表明，在该三元体系中，Na2SO4的溶解是一个非自发的吸热熵增过程，焓变对溶解Gibbs自由能的影响较大。本研究为高浓度有机废水中BSNa和Na2SO4的分离和回收奠定了基础。

粉尘浓度和含水率对覆膜滤料滤饼形成特性及过滤性能影响研究

陈路敏李海金朱晨胡文元钱付平郑志敏

过程工程学报. 2025, 25(4): 416-424. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224303

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本工作搭建了滤料实验测试台，通过分析覆膜滤料的压降、过滤效率、单位面积粉尘沉积量、滤饼厚度和厚度标准差探究粉尘浓度和粉尘含水率对覆膜滤料滤饼形成特性及过滤性能的影响。结果表明，随过滤时间延长，滤饼垂直方向上从顶部到底部厚度及其不均匀性逐渐增大，但经过一段时间后滤饼厚度不均匀性趋于稳定。随粉尘浓度增加，滤饼厚度和不均匀性逐渐增大；粉尘浓度较低时，滤饼厚度从顶部到底部整体增加缓慢，厚度差异较小；粉尘浓度较高时，滤饼顶部厚度增加较慢，底部厚度增加较快；随粉尘浓度增加，压降和单位面积粉尘沉积量增加，过滤效率约为99.9%，孔隙率整体逐渐减小。随粉尘含水率增加，滤饼均匀性差异明显，粉尘含水率为9%和13%时滤饼均匀性较差，粉尘含水率为10%~12%时，滤饼分布相对均匀。粉尘含水率对过滤性能的影响主要体现在压降的变化，含水率增加有助于减小滤饼压降，对过滤效率的影响并不明显。

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