多层流化床是由传统的单层流化床发展而来的多相流设备,目前被广泛应用于化工、冶金、能源、环保等领域。溢流管式多层流化床是应用最为广泛的多层流化设备,独立安装于反应器内的溢流管是床层间颗粒传递的主要场所,因此溢流管中颗粒流动传递的稳定性是影响装置整体稳定性、限制稳定操作区间的主要因素。然而,溢流管通常位于多层流化床内部,对溢流管内颗粒流动行为的观察和检测极为困难,发展更为便捷的新型研究手段对溢流管内的颗粒流动行为进行针对性研究十分必要。为解决该问题,本文以多层流化床溢流管内的颗粒流动为研究对象,首先设计开发了易于观察和检测的单溢流管实验装置,基于可视化和压降检测揭示了单溢流管中颗粒流型的控制及演化机制;随后,立足工业应用需求,设计开发了新型溢流杯式溢流管,利用可视化的方法考察了操作参数和结构参数对该装置内颗粒下料的影响,及其对混合颗粒下料的控制规律;最后,发展了多层流化床中典型单元的CFD模型方法,通过内部细节流场和浓度场的分析,探索了操作条件对床层流化状态的影响及其对溢流管内颗粒流动的影响。本文的结果表明,基于颗粒溢流过程的压降平衡原理设计简化的实验装置和CFD模拟是针对性研究溢流管内颗粒流动特征的优选方法。主要研究内容和成果如下。（1）基于颗粒溢流的压降平衡原理,设计并搭建了简化的单溢流管实验装置,利用摄像法和压降检测明确了溢流管中的颗粒流型,揭示了稳定移动床和鼓泡移动床中颗粒流动的不同控制机制。结果表明,在本文采用的实验装置和条件下,溢流管内共存在三种流型:稳定移动床、鼓泡移动床和节涌床。其中,稳定移动床和鼓泡移动床可由压力脉动的频谱特征区分,前者无明显周期行为,后者在2 Hz左右存在周期性波动;节涌状态下,流动失稳、压降信号的标准差急剧增加。由此构建了以压差为横坐标、下料速率为纵坐标的流型划分图,随着溢流孔口直径的增大,颗粒流动的失稳风险增加,甚至出现窜气区域。对于稳定移动床,颗粒流动由溢流管内的表观气速控制;而鼓泡移动床下,颗粒流动由孔口附近区域的空腔和气泡行为控制。（2）设计了新型的溢流杯式溢流管,基于可视化的方法研究了溢流反吹气流量和溢流杯-溢流管相对距离对颗粒稳定下料速率的影响,探究了该设备对混合颗粒下料速率的控制规律。结果显示,对纯石英砂颗粒,随着反吹流量的增大,颗粒下料速率先增大后基本不变,而随着溢流杯-溢流管相对距离的增大,颗粒下料速率指数增大直至下料极限。对于粘性氟化钙和石英砂的混合颗粒,在较低的粘性颗粒添加比例下,氟化钙颗粒对管内颗粒流动起润滑作用,混合颗粒的下料能力增加;而在较高的粘性颗粒添加比例下,颗粒粘聚力阻碍颗粒流动,下料能力减弱。本文优选的最佳粘性颗粒添加量为5%。（3）基于多孔介质模型描述两床层之间的气体分布板,发展了多层流化床典型结构单元的CFD模拟方法,通过细节流场和浓度场分析,研究了操作气速对相邻床层流化状态的影响及其对溢流管内颗粒流动的影响。结果表明,层间溢流管内的颗粒料位具有缓冲作用,使得颗粒进入下床层后被迅速均匀分散,保证了下床层的固相均匀性;随着流化气速的增大,下床层短路进入溢流管的气体量增加,管内密相区浓度降低、浓度梯度增大、范围增大,密相区与稀相区之间的过渡区范围增大,密相区内逐渐出现气泡或气体栓塞;同时,溢流管内上升气流的阻挡作用增强,上流化床层向溢流管的间歇进料难度变大,溢流管上方出现料位积累。颗粒溢流状态的改变和间歇进料难度的加剧是颗粒溢流失稳的可能原因。