随机填料对逆流鼓泡流化床颗粒停留时间分布的影响机制研究

本研究针对逆流鼓泡流化床(BFB)中固体颗粒流动模式优化难题，通过铝硅酸盐球(ASB)和膨胀粘土(ECA)填料实验，结合轴向分散模型和串联釜模型分析，发现填料可使固体流动更接近平推流(PFR)，轴向分散系数降低10倍至0.006 m2/s，Péclet数(Pe)提升至18，为流化床能源转化工艺设计提供新思路。

　　

在能源转化和化工生产领域，鼓泡流化床(BFB)因其优异的气固接触效率被广泛应用，但固体颗粒的流动模式控制始终是核心挑战。传统BFB中固体颗粒往往呈现全混流(CSTR)特性，导致反应物浓度均质化，这对需要浓度梯度的平衡反应（如蒸汽铁制氢）极为不利。如何在不引发气泡长大和气体短路的前提下，将固体流动调整为平推流(PFR)模式，成为提升反应器性能的关键。瑞典研究团队在《Powder Technology》发表的研究，通过创新性地引入随机填料结构，为这一难题提供了突破性解决方案。

研究采用磁颗粒示踪技术，在直径0.12 m的逆流BFB装置中系统考察了铝硅酸盐球(ASB)和膨胀粘土(ECA)两种填料的作用。通过轴向分散模型和串联釜模型定量分析，结合流体化数(15.6/21.9)和床高(30/50 cm)参数优化，揭示了填料对固体流动模式的调控机制。

实验设置
冷模实验装置采用有机玻璃柱体（内径12 cm），通过底部气体分布板实现逆流操作。压力传感器监测四位置压降，磁感应系统追踪固体示踪剂动态。ASB（直径12.7 mm）和ECA填料分别代表低空隙率（<50%）与高空隙率结构。

模型构建
轴向分散模型通过Péclet数(Pe=uL/D)量化对流-扩散比，串联釜模型用釜数N表征流动偏离PFR程度。两模型互补验证填料对RTD曲线的窄化效应。

结果分析

1. 填料类型影响：ASB填料使轴向分散系数D从0.06 m²/s降至0.008 m²/s，ECA则降至0.006 m²/s，证实球形填料对固体扩散的显著抑制。
2. 流体化数效应：高流体化数(21.9)下Pe达18，比无填料工况(1.44)提升12.5倍，显示气体流速与填料结构的协同作用。
3. 床高依赖性：50 cm床高使串联釜数增至9，表明填料层高度增加可强化PFR特性。

讨论与意义
该研究首次证实随机填料能同时解决BFB的两大矛盾需求——抑制气泡生长（提升气固接触）和促进平推流（建立浓度梯度）。特别在化学链燃烧(CLC)和蒸汽铁制氢等应用中，填料使固体流动的Pe数接近移动床水平（需1-2 mm大颗粒），却保持<1 mm颗粒的流化优势。作者指出，填料通过分割流道增加固体轴向速度，同时限制径向混合，这种"受限流态化"效应为新一代流化床设计奠定基础。

研究团队强调，未来需优化填料几何参数（如空隙率>95%的金属鞍环）以平衡通量与混合控制。该成果不仅适用于能源转化（如CO₂捕集），对制药、食品等需精确控制RTD的领域同样具有启示意义。