喷动床作为典型的流态化设备目前已广泛应用于农业、食品、制药、能源、环保、化工、核燃料等众多领域,如干燥、混合、造粒、包衣涂层等多种物理工艺过程,同时在煤气化、生物质制合成燃料、油页岩热解、铁矿石还原、焦炭活化、石油催化裂化等诸多热化学工艺中也显示了诱人的前景。然而目前对喷动床复杂气固流动特性的认识还远远不能满足日益广泛的应用要求,尤其是对非球形颗粒系统在喷动床中动力学特性、气固相互作用机理以及喷动床放大技术掌握不够,以至于在设备放大设计、结构和运行参数优化等方面都遇到一定的困难。本文基于试验和数值模拟手段,对非球颗粒喷动床动力学特性及放大规律进行了深入研究。构建了非球形颗粒喷动床试验系统,以具有典型非球形状特征的柱状颗粒为研究对象,实验揭示了非球颗粒/床料二元颗粒系统的喷动动力学特性。发现了二元颗粒系统喷动与混合实时同步耦合的行为特点,获得了二元颗粒系统喷动行为与关键参数随操作条件的变化规律和控制机制,提出了床料主导型和非球颗粒主导型两种不同的非球颗粒喷动系统类型。发展和改进了喷动床CFD-DEM模拟方法。运用几何元素组合方法构建具有真实形状的柱状颗粒,全面解析柱状颗粒平面、曲面以及边线之间多种接触情形和接触力计算,改进适用于柱状颗粒的气固作用力模型,构建了柱状颗粒气固流动CFD-DEM数理模型,率先在CPU+GPU计算平台上实现“气相湍流+真实柱状颗粒+喷动”的CFD-DEM数值模拟,从颗粒尺度分析了颗粒形状对喷动床内颗粒速度、角度、接触情况等颗粒运动形态的影响,揭示了柱状颗粒喷动行为的颗粒形状效应及微观机理。提出了喷动床数值放大设计新方法。利用数值模拟技术实现喷动床放大过程中气固流动行为的直观预测,获得了放大过程中关键参数随物料性质、床体结构和操作参数的变化规律,提出喷动床放大过程中关键参数预测关联式;利用模拟技术深入掌握喷动床关键部件形状、结构、尺寸对床内气固流动行为的影响规律;研发了工业尺度的喷动床混合器装置,完成混合器详细尺寸设计和运行效果考察,给出混合器喷变工况运行特性以及操作运行指导,实现15万吨/年非球生物质与类球热载体颗粒的快速连续充分混合。