气固流化床反应器以其热质传递效率高、设备简单等优点而广泛应用于能源、化工、冶金、食品加工等领域,而颗粒团聚是气固流化床中普遍存在的现象。典型地,在烯烃聚合流化床反应器中,树脂颗粒间接触碰撞时可能会在团聚力的作用下粘结形成团聚。若不能及时采取有效的调控措施,颗粒团聚进一步演化形成的结块或结片将对反应器的流化稳定性产生极大的危害甚至造成停车事故,经济损失巨大。颗粒团聚及其调控是诸多领域公认的重要技术难题。因此,揭示烯烃聚合流化床反应器内颗粒团聚机理,预测颗粒团聚演化过程,对于预防和消除反应器内的颗粒团聚,维持反应器稳定操作和高效生产具有重大意义。本论文以烯烃聚合流化床反应器为研究对象,首先对颗粒碰撞和气泡剪切团聚等微观物理过程进行理论分析,分别提出了颗粒碰撞聚并判据、团聚破碎判据以及气泡-颗粒间作用频率模型以描述团聚形成和破碎过程,并基于等数目蒙特卡洛(CNMC)模拟建立了团聚演化过程的定量预测方法。其次,创新设计并制作了基于电磁感应加热原理的侧壁喷液气固流化床,采用压力脉动检测、取样测量、温度分布测量、显微观察等方法,获得了液桥力及液桥力和固桥力协同作用下的团聚演化规律,揭示了液桥力先诱导、固桥力后作用的颗粒团聚机理。最后,研究了团聚对颗粒流态化类型转变的影响规律,提出了基于ζ(团聚力/破碎力)分布的流态化类型判断准则,对指导工业流化床反应器的操作具有重要意义。论文的研究工作具体包括以下四方面:1.针对固桥力主导的颗粒团聚过程,考虑颗粒间固桥生长导致的固桥力变化对颗粒碰撞聚并及气泡剪切团聚过程的影响,基于力平衡分析提出了固桥力-反弹力主导的团聚形成判据和固桥力-气泡张力主导的团聚破碎判据;考虑气泡的出现频率、作用边界及其周围颗粒浓度对气泡-颗粒间接触过程的影响,首次建立了气泡-颗粒间作用频率模型。在此基础上,采用等数目蒙特卡洛方法模拟固桥力主导的颗粒团聚过程,实现了颗粒粒径分布、团聚量、团聚效率常数βa、破碎效率常数βb等参数的定量预测,解决了团聚速率常数和破碎速率常数获取困难的问题。团聚质量分率的CNMC模拟值与实验值吻合较好,相对误差小于16.5%,验证了模型的准确性。此外,分别在冷模实验和CNMC模拟中考察了床层温度和表观气速对颗粒团聚过程的影响规律,发现随着床层温度的升高,βa增大,βb降低;随着表观气速的增大,βa降低,βb增大。结果表明,提高表观气速和降低床层温度可以抑制颗粒团聚,是调控固桥力主导的颗粒团聚过程的有效手段。2.针对液桥力主导的颗粒团聚过程,在实验方法方面,创新设计并制作了基于电磁感应加热原理的侧壁喷液气固流化床装置,通过对具有核壳结构的聚乙烯蜡@石墨颗粒进行感应加热,模拟聚烯烃流化床反应器中颗粒反应放热和表面受热发粘团聚过程。建立了基于床层压降的湿颗粒团聚量计算方法,解决了团聚易破碎、取样困难的问题。在团聚模型方面,考虑颗粒反弹过程中液桥尺寸及形态的变化对液桥力的影响,提出了颗粒反弹初始动能-液桥耗散能控制的带液颗粒碰撞聚并判据;考虑液体蒸发对气泡尺寸的影响,提出了液桥力-气泡张力主导的团聚破碎判据。进而,建立了液桥力主导的颗粒团聚过程的等数目蒙特卡洛模拟方法。团聚质量分率的CNMC模拟值与实验值吻合较好,相对误差小于27.4%。在此基础上,通过冷模实验和CNMC模拟,获得了喷液流率、加热功率、表观气速和喷液位置对颗粒团聚过程的影响规律。3.在侧壁喷液气固流化床实验装置中,研究高颗粒放热速率条件下喷液流率对颗粒团聚过程的影响规律,发现随着喷液流率的增大,团聚演化过程先后经历了固桥力主导、液桥力主导、液桥力和固桥力协同控制等3个阶段。通过分析液桥力和固桥力协同控制阶段床层压降及轴向温度分布的变化,发现了反应器内先形成死区后出现热点的演化规律,结合偏光显微镜观察加热过程中颗粒间液桥和固桥的变化,揭示了液桥力先诱导形成死区、固桥力后作用形成团聚的作用机制。以工业烯烃聚合流化床反应器为例,考虑颗粒数量、液体蒸发等对湿颗粒团聚-流化气间对流传热过程的影响,计算团聚内径向温度分布,发现当湿颗粒团聚体内颗粒数量大于400时,团聚内形成热点,湿颗粒团聚逐渐演化为干颗粒团聚。4.实验研究了团聚对颗粒流态化类型转变的影响规律,发现在低加热功率下,颗粒的流化行为受液桥力控制,随着喷液流率的增大,颗粒流态化类型从稳定流态化逐步转变为快速失流化;在高加热功率下,颗粒的流化行为受固桥力和液桥力协同控制,随着喷液流率的增大,分别经历了固桥力控制的逐渐失流化和团聚流态化、液桥力控制的团聚流态化、液桥力和固桥力协同控制的逐渐失流化和快速失流化等流态化类型。根据不同喷液流率和颗粒放热速率下的ζ(团聚力/破碎力)分布,将侧壁喷液气固流化床内颗粒的流态化类型细分为四种,即固桥力主导的团聚流态化(AGFSB)及液桥力主导的团聚流态化(AGFLB)、逐渐失流化(GDLB)和快速失流化(FDLB),并提出了反应器可能发生的流态化类型的判据。