聚乙烯是全球产量最大的合成树脂之一。其生产技术的创新对化学工业具有重要意义（McKenna, 2019）。气相流化床工艺因其流程短和资本投入低而成为主要的生产方法。最近，该工艺已扩展到涉及乙烯和高碳α-烯烃（如1-辛烯、1-己烯）的共聚系统，显示出生产高性能聚烯烃弹性体的巨大潜力。然而，反应的强放热性质导致床层的热量移除能力有限，这成为提高时空产率（定义为单位反应器体积单位时间内形成的目标产品质量）的关键瓶颈（Qiao et al., 2025, He et al., 2025）。为了解决这一限制，引入了冷凝模式技术，其中使用惰性液体介质（如己烷、异戊烷）通过蒸发吸收反应热。这项技术显著提高了反应器的热量移除效率和操作灵活性，使时空产率提高了30%以上（Fan et al., 2023）。
然而，引入冷凝液体将传统的气-固两相流动转变为复杂的气-液-固三相系统，如图1所示。多种因素的相互作用，如颗粒间的液体桥力、液相蒸发和聚合反应，可能导致流化质量差和反应器内温度分布不均等问题。这些挑战直接影响了聚合反应器的连续稳定运行和最终产品的质量。因此，深入理解三相聚合流化系统中多尺度耦合机制、传热和反应对于实现高效反应器设计和优化以及提高产品质量具有重要意义（Zafiryadis et al., 2023）。
目前，研究人员正在通过实验和模拟方法研究含有液体的聚合流化床（Khani and Patience, 2024）。实验上，杨等人开发了一种结合了电磁感应加热系统和流化床的集成装置（Shi et al., 2018）。通过结合压力降、侧壁温度分布和液体含量测量等多种表征方法，田等人（2021）和黄等人（2022）进一步揭示了固体桥力、液体桥力及其综合效应对含有液体注入的气-固流化床流化特性的影响。Kuipers等人（Kolkman et al., 2017, Milacic et al., 2022）开发了一种结合了粒子图像测速（PIV）和红外热成像（IRT）的技术来研究准二维含有液体的流化床中的传热。这些技术的结合提供了流化床内固体通量和温度分布的详细数据。迄今为止，大多数实验研究集中在冷模型液体注入流化床上。然而，聚合反应通常在高温高压等极端条件下进行，使得相关实验成本高昂且危险。近年来，随着计算能力的快速发展，数值模拟已成为支持复杂流化床系统实验研究的重要工具。
计算流体动力学-离散元模型（CFD-DEM）是研究具有粘性颗粒流化的主要模拟方法。该方法能够在颗粒尺度上进行精确计算，解析复杂的颗粒间力、非均相聚合反应和颗粒表面的液体蒸发。因此，它可以捕捉反应器内气、液、固三相的浓度、速度和温度分布等详细的多相流场信息。这些结果可以为三相聚合流化床的设计和操作提供深刻见解。最近，Marchelli等人（2025）对包括范德华力、静电力和液体桥力在内的各种粘性气体-固流动过程进行了全面综述。在含有液体的气体-固系统研究中，van Buijtenen等人（2009）通过考虑依赖于颗粒-液滴相互作用和蒸发过程中水分含量的可变碰撞系数，研究了颗粒间相互作用对床层动态的影响。Girardi等人（2016）对小周期域内的湿气-固流动进行了细网格CFD-DEM模拟，并基于细网格数据开发了用于粗网格模拟的过滤阻力模型。最近，Song等人（2024）使用经过验证的CFD-DEM研究探讨了操作参数（入口气体速度、批次体积）和几何参数（间隙高度、管长）对Wurster涂层机流体力学的影响。总体而言，上述关于含有液体的流化床的冷模型研究在理解复杂颗粒间粘性力对气-固流化床内流体力学行为的影响方面取得了显著进展。然而，这些研究均未考虑反应器内的传热和传质过程。
实际上，粘性力的分布与流化床内的传热和反应等因素密切相关。例如，传热不良可能导致局部颗粒温度超过软化点，从而促进颗粒间形成强固体桥。此外，颗粒间的液体桥力取决于床层内冷凝液体的分布，而这种液体的蒸发与颗粒的温度分布（Li et al., 2022）和聚合反应的放热特性（Ren et al., 2022）密切相关。上述复杂性给三相聚合流化床的长期稳定运行带来了多重挑战。
因此，对这种气-液-固聚合系统的深入研究不仅需要准确描述复杂的颗粒间力（如液体桥），还需要考虑复杂的多相质量和能量传递过程（Li et al., 2016），包括液体蒸发和反应热释放。Sutkar等人（2016）提出了一种新的CFD-DEM模型，用于模拟喷射流化床中的耦合传热和传质现象。该模型的可靠性通过结合PIV和IRT获得的实验数据进行了验证。在我们之前的工作中（Lei et al., 2023），我们建立了一个结合了固体桥力模型和聚合动力学模型的CFD-DEM方法，以研究粘性气体-固聚合系统的流体力学、传热和反应特性。结果表明，颗粒间固体桥的形成会导致颗粒聚集，并显著影响颗粒的温度均匀性。Fan等人（2025）进一步开发了一个全面的CFD-DEM框架，用于研究喷雾流化床中的湿颗粒聚集和热涂层动态，包括颗粒生长、涂层动态和热行为的建模。最近，Xu等人（2025）通过CFD-DEM模拟确定了液体注入流化床中的挥发性浑浊区域。他们主要关注了液体蒸发和颗粒-液滴碰撞过程中的传热和传质。然而，没有考虑聚合反应对流化床特性的影响。
实际上，在聚合过程中，颗粒生长、形态变化和反应热的释放等因素显著影响流化床内的流动和传递行为。这些因素在现有的CFD-DEM模拟研究中往往被部分简化或忽略。目前，仍缺乏同时考虑颗粒间液体桥力、液体蒸发和聚合反应的综合性建模研究。
为了解决上述挑战，本研究旨在开发一个全面的CFD-DEM建模框架，该框架结合了颗粒间液体桥力、液体蒸发和聚合反应动力学。然后，系统地研究了液体注入聚合流化床中的传热和反应特性。文章结构如下：第2节首先详细介绍了所有数学模型。第3节对模型配置进行了全面总结。第4节包括液体桥模型的验证（4.1节）、流动和热特性的结果（4.2节）以及操作和结构参数的影响分析（4.3节）。最后，第5节总结了本研究的主要发现和潜在贡献。
