浆态床反应器在费托合成等能源化工中有重大需求，在高端化学品生产中也有广泛应用。随着安全、环保要求越来越严，对反应器的高效、智能化要求也越来越高，这些都对反应器模型化和定量预测提出了迫切需求。由于涉及复杂多相流，浆态床的模型化及定量分析挑战性大，其可靠设计和工程放大仍是世界性难题。课题组提出气泡群行为对反应器模型化具有核心作用，在介观尺度上建立了气泡聚并和破碎机理模型，基于群平衡模型（Population Balance Model: PBM）定量预测气泡行为。在宏观尺度上将PBM与CFD模型相结合，实现了湍流涡尺度、气泡尺度和反应器尺度的多尺度建模，发展了浆态床反应器模型化新方法。
实验研究了相变、液体粘度、表面张力等参数对鼓泡床流体力学和气液传质行为的影响规律，揭示了液体粘度在大范围内变化时对流动和气液传质的影响规律（Chem. Eng. J., 2017, 329: 116-127）；得到了乙醇-水体系在全浓度范围内的多相流动特性，发现并确定了临界浓度值，并基于动态表面张力提出了机理模型（J. Chem. Technol. Biotechnol., 2017, 92: 432-441）；揭示了相变气液体系与普通气液体系流动行为的显著差异（Chem. Eng. Sci., 2017, 157: 107-115）。
并建立了改进的气泡破碎模型，成功预测了压力影响规律，实现了对不同压力下气泡破碎的统一建模（AIChE J., 2015, 61: 1391-1403; Chem. Eng. J., 2020, 386: 121484），为高压反应器模型化打下基础。将气泡聚并和破碎模型通过PBM加入到CFD模型框架内，建立了CFD-PBM耦合模型（图2）。该模型从机理上揭示了气液体系的多尺度性质，定量描述了气泡尺度与反应器尺度间的作用机制，具有很好的通用性，能够方便地扩展用于高温、高压和高粘度体系（Chem. Eng. J., 2017, 329: 116-127; Chem. Eng. Sci., 2017, 170: 251-262; Chem. Eng. Sci., 2018, 192: 714-724; Chem. Eng. Sci., 2020, 219:115514; Int. J. Heat Mass Transfer, 2020, 161: 120229; AIChE J., 2023, 69: e17473）。
CFD-PBM耦合通用模型框架
浆态床反应器内催化剂颗粒的存在同样会对流体力学及传质行为产生显著影响，通过实验研究颗粒浓度和粒径对空气-水浆态床体系的影响规律。并首先提出可以定量描述颗粒浓度和粒径影响的液相湍流衰减模型，得到可以预测浆态床内气含率及体积传质速率的半经验关联式（AIChE J., 2023, 69: e17843）。进一步将众多颗粒影响机制引入CFD-PBM耦合模型，成功将模型适用范围扩展到浆态床体系，实现流体力学及传质行为的准确模拟（AIChE J., 2024, 70: e18518）。