高密度与低密度粉末多级流化床的流体动力学及操作特性对比研究

为解决铀转化过程中高密度颗粒流化质量差、操作不稳定等问题，研究人员对比研究了碳化钨（WC，15,630?kg/m3）与FCC催化剂（2,200?kg/m3）在多级流化床中的流体动力学差异。结果表明，高密度颗粒具有更宽的操作区间（0.04–0.69?m/s）和显著压降波动（100–800?Pa），而低密度颗粒启动困难但压降波动小（10–30?Pa）。研究为铀转化反应器设计提供了关键参数优化依据。

　　

在核燃料循环领域，铀转化过程（如UO₃氢还原、UF₄氟化等）依赖流化床反应器，但高密度铀化合物颗粒（如UO₂密度达10,960?kg/m³）常导致流化质量差、反应器振动剧烈和转化率低等难题。传统流化床设计多基于低密度颗粒（如化工常用的FCC催化剂），而高密度颗粒的流体动力学行为存在显著差异——床层膨胀率仅10%（低密度颗粒达30–40%）、气泡易合并、死区形成等问题频发。尽管多级流化床被证明能提升气固接触效率，但尚无系统研究对比不同密度颗粒在该体系中的表现。

中国核工业集团青年人才基金支持的研究团队通过冷模实验，以碳化钨（WC，15,630?kg/m³，Geldart B类）和FCC催化剂（2,200?kg/m³，Geldart A类）为对象，在三段式流化床中系统比较了两者的启动特性、操作稳定性与流体动力学参数。研究发现：WC颗粒能通过分布板孔快速下落实现平稳启动，而FCC颗粒因颗粒间力（范德华力、静电作用）与重力相当，需依赖外部下降管；稳定运行时，WC颗粒操作区间（0.04–0.69?m/s）比FCC（0.01–0.29?m/s）宽6倍，但压降波动幅度（100–800?Pa）远超后者（10–30?Pa）。该成果发表于《Powder Technology》，为高密度颗粒反应器设计提供了关键优化策略。

研究采用压力传感器网络监测床层压降，通过高速摄像记录颗粒流动形态，并结合粒径分析（Sauter平均直径D_[3,2]）和电子显微镜表征颗粒形貌。实验重点对比了最小流化速度（U_mf）、稳定操作速度范围（U_min–U_max）和固体循环速率（Q_s）等参数。

启动行为
WC颗粒凭借高重力优势可穿透分布板孔实现自上而下填充，而FCC颗粒因强颗粒间力易在分布板积聚，需外部干预启动。

流体动力学特性
高密度WC床层呈现非均匀膨胀，气泡合并现象显著，导致压降剧烈波动；低密度FCC床层膨胀均匀但易形成颗粒团聚。

操作稳定性
WC体系在0.04–0.69?m/s内保持稳定循环，而FCC体系仅能在0.01–0.29?m/s窄区间运行，且固体循环速率相对误差（R_s）更高。

结论与意义
研究揭示密度差异通过改变重力-曳力-颗粒间力的平衡关系，显著影响流化行为：高密度颗粒依赖重力主导的快速循环，需高压降分布板优化流化质量；低密度颗粒则需抑制团聚以拓宽操作窗口。该研究不仅为铀转化反应器设计提供理论支撑，对重质颗粒（如钨合金、稀土化合物）流化技术开发也具有普适指导价值。Yiming Zhang团队特别指出，未来需针对铀化合物颗粒（如UF₄、U₃O₈）开展高温实验验证结论的工程适用性。