挡板-管束耦合结构对鼓泡流化床内停留时间分布与气泡动力学的协同调控机制

本文通过示踪剂实验结合离散小波变换(DWT)分析，揭示了挡板-管束耦合结构对鼓泡流化床(fluidized bed)内颗粒停留时间分布(RTD)和气泡动力学的非线性调控规律。研究发现中等密度内部构件能产生最集中的RTD曲线，其高频低能气泡扰动特征可作为结构优化的关键指标，为工业流化床反应器的内部结构设计提供了量化依据。

　　

Highlight

本研究系统探究了挡板-垂直管束耦合构型对鼓泡流化床内停留时间分布特性的影响。通过示踪剂染色法获取颗粒RTD曲线，并采用离散小波变换(DWT)对床层压力信号进行多尺度频域分析，从气泡主导频率、振幅和均方根值(RMS)等维度，揭示了不同内部构型下流动行为差异的内在机制。

Residence time distribution

停留时间分布密度函数E(t)描述了稳态流动系统中物料在流化床内停留时间介于t到t+dt区间内的比例。根据定义，所有停留时间区间分数之和应满足归一化条件。实验采用脉冲响应法，通过瞬时注入染色示踪剂并监测出口浓度变化来获取E(t)曲线。

Experimental setup

实验系统采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质的透明流化床主体（截面280 mm×80 mm，总高670 mm），配备底部风室和空气压缩机供气系统。通过组合式挡板（间距可调）与垂直管束（直径8-12 mm）构建了12种耦合构型，采用高速摄像和压力传感器同步采集流动参数。

Analysis of particle residence time distribution characteristics

图4展示了不同挡板构型下颗粒RTD的实验数据与拟合曲线。随着挡板数量增加，RTD曲线峰值时间呈现规律性延迟，中等密度构型（4-6块挡板）表现出最集中的分布特征。离散小波分析显示，该构型对应的高频(15-25 Hz)、低RMS(<0.8 kPa)气泡扰动模式与RTD集中度呈强相关性。

Conclusions

研究表明：1）内部构型对RTD的影响呈非线性趋势，中等密度构型可实现最优分布均匀性；2）高频低能气泡扰动是评估结构调制效果的关键指标；3）过疏或过密构型分别会增强返混或导致局部滞留。这些发现为工业流化床反应器的结构优化提供了定量设计依据。