项目名称：    工业多相流结构与行为的定量预测理论和优化调控方法

推荐单位：    中国科学院

项目简介：    本项目属工程技术科学领域。

气固移动床与流化床在化工、冶金、能源等工业中广泛应用，但仍有一些瓶颈问题亟待解决。如何防止移动床中经常发生的串气、节涌及架拱，使其操作保持稳定、安全、可控；如何抑制气固流化床中存在的气泡和聚团，实现气固接触良好的均匀流态化，以提高传热、传质速率和生产能力，具有重要的理论和实用意义，是该领域的前沿课题。从1982年至今，针对上述问题进行了系统的研究，取得了多项创新性研究成果：

（1）将散料力学与多相流理论相结合，建立了新的气固移动床动力学理论，可定量预测和调控移动床中气固流率、孔口流率、架拱、V型阀排料、L型阀排料、料腿的料封能力等各种操作状态，使这一领域的研究与实践从半经验上升至理论。据此发明的V型排料阀已被国内外采用，相关成果获中国科学院自然科学二等奖。

（2）研制了流化床聚团测试系统，首次拍摄到快速流化床中聚团相与分散相两相结构，澄清了学术界关于快速床中是否存在聚团的疑问，进而发现了聚团的形成与运动规律，引起国内外极大关注，相关的3篇论文被他人引用130次。

（3）系统地建立了颗粒设计、流体设计、外力场设计以及床型与内构件设计等方法，对气固两相流的结构和行为进行优化调控，使难于流态化的粘性及超细颗粒实现了均匀流态化，并成功应用于上海焦化厂与攀钢的工业中试装置。相关成果获中国科学院自然科学一等奖。

（4）建立了一系列评价流化质量的方法与指标。首次采用光纤探头测量多相流中颗粒浓度，研发的光纤浓度测试仪已为国内外广泛应用；最先采用光纤探头自动跟踪床层料面，研发的光纤床层塌落仪受到国内外专家好评，获中国科学院科技成果二等奖。

本研究共发表论文150 余篇（SCI收录34篇，EI收录71篇），英文专著6章，中文专著2部，获发明专利5项，实用新型专利10项，鉴定成果6项。论著被他人引用702次，其中SCI期刊他人引用418次。10篇代表性论著被他人引用270次，其中SCI期刊他人引用146次。

主要发现点：  3．主要发现点：

（1）采用自制的光导纤维微观摄像系统，在国内外首次拍摄到快速流化床中颗粒聚团及聚团相与分散相两相结构的照片，澄请了国内外学术界关于快速床中是否存在聚团的疑问，进而观测和发现了聚团的形成和运动规律，得到聚团尺寸主要与颗粒浓度相关的重要结论。（工程流体力学，代表性论著2、3、11）

（2）将散料力学与多相流理论相结合，建立了气固移动床动力学理论，并得到如下的拓展与应用：

提出了倾斜移动床产生附加重力壁摩擦力的概念，建立了倾斜度与空隙率的理论关系式，从而将该理论拓展到倾斜系统。

绘制出气固移动床相图，可定量表示可能存在的13种操作模式。由相图发现并经实验证实存在理想料封状态。

发明了临界移动床输送、V型排料阀、抗压稳流加料器等多项专利技术。

建立了移动床气固流动、孔口流动、架拱、V型排料阀、L型排料阀、气力移动床输送的动力学模型。

(工程流体力学、颗粒学，代表性论著1、9、16，17）

（3）通过实验，发现并建立了如下纳微颗粒聚团的均匀流态化方法：

发现纳微颗粒形成低密度小尺寸聚团时，可实现均匀流态化；添加适当组分可降低原始颗粒粘性，形成低密度小尺寸聚团，实现均匀流态化。颗粒或聚团的当量比表面积是决定因素。

发现提高气体压力，直至超临界状态，随着气体密度的提高，气固流态化可由不均匀向均匀转化。

发现在外加轴向恒定或横向旋转磁场作用下，加入纳微颗粒流化床中的铁磁性颗粒可形成垂直或水平自旋"针状物"，这些"针状物"可有效破碎气泡与聚团，实现均匀流态化。

发现在快速床中加入环形内构件可驱使颗粒均匀分布；在纳微颗粒流化床加入多孔斜片挡板可有效破坏节涌、气泡和聚团，实现均匀流态化；提升管中具有悬浮粗颗粒的高气速纳微颗粒循环流化床的聚团尺寸小且无气泡；V型阀－锥形流态化料腿可避免堵塞，实现纳微颗粒聚团的稳定循环。

（工程流体力学、颗粒学、化工流变学，代表性论著4、5、6、7、8、10、14、18）

（4）在国内外首先采用光纤探头测量多相流中的颗粒浓度，已被国内外广泛采用；研制成功光纤跟踪料面床层塌落仪、多功能流态化数据采集系统，用以评价流态化质量；提出一系列评价流化质量的指标。

（颗粒学、化工流变学，代表性论著10、12，13、14、15）

（5）首次提出聚团准数，用以评价纳微颗粒的聚团能力和流化性能，建立了聚团碰撞力平衡模型，可较准确预测流态化聚团的平衡尺寸。（颗粒学、工程流体力学，代表性论著6、10、18）

主要完成人：  1.   李洪钟

(1) 将散料力学理论与多相流理论相结合，建立了气固移动床动力学理论，并将该理论进行了实验验证。（发现点2）

(2) 为了实现气固流态化的均匀化，提出颗粒设计和流体设计（内因）、外力场设计和床型及内构件设计（外因）的总体研究思路，进而领导项目组成员与研究生进行了系统研究，获得满意结果。（发现点3）

(3) 用自制微观摄像探头成功摄取到快速流化床内的瞬态聚团照片，证实了聚团的存在，消除了国内外学术界的疑问。论文发表后，引起广泛关注，被大量引用。（发现点1）

(4) 提出多功能流态化质量评价系统的构思，并与同事合作研制成功，获发明专利。（发现点4）

本人在该项目工作量占本人工作量的70％。

2.   郭慕孙

(1) 提出临界移动床输送和V型阀移动床排料的研究课题；提出抑制气固系统中的气泡与聚团、实现气固流态化散式化的研究课题。（发现点2、3）

(2) 提出快速流化床中存在颗粒聚团相和分散相两相结构，建立了模型，指导研究人员用自行研制的设备在快速床中拍摄到聚团相与分散相的照片。相关论文得到国内外学术界的引用。（发现点1）

(3) 指导博士研究生进行临界移动床输送、V型排料阀、颗粒与添加组分设计、细颗粒流态化、超临界流体流态化、旋转磁场流态化的研究，发表的论文得到国内外学术界好评。（发现点2、3）

(4) 指导光纤跟踪床层塌落仪和多功能流态化数据采集系统的研制工作。（发现点4）

本人在该项目中的工作量占本人工作量60％。

3.   朱庆山

(1) 对超细与粘性颗粒的磁场流态化进行了系统研究。发现在轴向均匀磁场作用下，加入流化床中的铁磁性颗粒沿磁力线方向形成一定长度的"链状物"，这些"链状物"，可有效破碎气泡、沟流与聚团，改善超细与粘性颗粒流化质量。提出用于判断铁磁性颗粒在磁场流化床中是否发生凝聚的凝聚准数。（发现点3）

(2) 采用双光纤探头测量系统，测定了快速流化床中聚团的大小、速度及其在床中的轴、径向分布，发现聚团尺度呈单峰分布；聚团的运动方向时上时下，在床下段向上与向下运动几率相同，在床上段多数聚团向上运动，边壁区域多数聚团向下运动，为快速流化床数学模型的建立提供了依据。（发现点1）

本人在该项目中的工作量占本人工作量的60％。

4.   吕雪松

(1) 对超细与粘性颗粒在横向旋转磁场中的流态化行为进行了系统研究，发现在横向旋转磁场作用下，加入流化床中的铁磁性颗粒形成许多做自旋运动的链状物，如同无数微搅拌浆一般，可有效破碎气泡、沟流与聚团，改善流态化质量。（发现点3）

(2)研究了内构件对超细及粘性颗粒流化行为的影响。发现水平挡板型内构件，尤其是孔浆式内构件可有效破坏气泡、节涌与聚团，改善流化质量。还将该成果成功地用于上海焦化厂超细炭黑臭氧氧化制特种炭黑挡板流化床反应器的设计，生产出高品质的特种炭黑。（发现点3）

(3)提出采用压力波动信号的小波分析法确定流化床中的气泡尺寸和频率。（发现点4）

本人在该项目中的工作量占本人工作量的70％。

5.   周涛

(1)提出了流态化聚团准数，用来评价纳微颗粒的聚团能力与流态化性能。建立了聚团碰撞力平衡模型，可较准确地预测流态化床中纳微颗粒聚团的平衡尺寸。（发现点5）

(2)发现添加组分可降低原始颗粒的粘度，从而改善纳微颗粒流态化质量。建立了预测双组分混合物粘度的计算模型以及由流态化准数确定最佳添加量的方法。（发现点3）

本人做为博士研究生参加本项目，在该项目中的工作量占本人工作量的70％ 。

10篇代表性论文：  1.   Vertical Pneumati Moving Bed Transport / Chem.Eng.Sci.

2.   Micro-Visualization of Clusters in a FastFluidized Bed / Powder Technology,Circulating Fluidized Bed Technology III

3.   Cluster Structure in a CirculatingFluidizedBed / PowderTechnology, Circulating Fluidized Bed Technology IV

4.   Study on Magnetic Fluidization of Group C Powders / PowderTechnology

5.   Fluidization of Fine Particles / Chem. Eng. Sci.

6.   Estimation of Agglomerate Size forCohesive Particles During Fluidization / Powder Technology

7.   Characteristics of Fast Fluidization withInternals / Fluidization VII

8.   Fluidization of CaCO3 and Fe2O3 particles mixtures in transverse rotating magnetic field / Powder Technology

9.   非流态化气固两相流-理论及应用 / 北京大学出版社

10.  气固流态化的散式化 / 化学工业出版社