在能源需求越来越高的21世纪,天然气水合物作为一种清洁的替代能源引起了人们的广泛关注。水合物固态开采法为天然气水合物的开采提出了一种新的思路,但固态开采中水合物浆体长距离多相输送的稳定性一直制约着其进一步应用。因此,本文提出利用化工生产中的流化床作为固态开采中天然气水合物的分解单元,在水合物分解后,仅对甲烷进行输送,达到优化和改进水合物固态开采过程的目的,对水合物的资源化利用具有重要的意义。流化床中的多相流动和反应过程的研究是流化床作为水合物分解单元的关键,因此,本文利用数值模拟的方法对水合物体系的多相流动和分解进行了研究。首先,根据天然气水合物体系的基础物性,对流化床中甲烷-水-水合物颗粒的气-液-固三相流态化过程进行了研究。结果表明,床层中气含率主要受流化气速影响。随着流化气速增大,轴向上气含率增大,径向上气含率逐渐呈现中部高,两侧小的趋势,且中部的极大值增大。在流化气速为0.20 m/s,在z=0.3 m高处,极大值最大为0.32。轴向上固含率主要受流化气速、固相密度和初始固相体积分数的影响。当流化气速大于0.10 m/s,固相密度小于2200kg/m3以及初始固相体积分数小于0.1时,沉积于流化床底部的颗粒较少,轴向固含率分布较均匀,流化质量更好。径向固含率的波动程度则随着流化气速和初始固相体积分数的增大而增加。床层的压力降受固相初始体积分数影响最大,在所有模拟的工况中,当初始固相体积分数为0.4时,压力降最大达5794 Pa。其次,在甲烧-水-水合物颗粒的气-液-固三相流态化的基础上,对水合物颗粒的流态化分解过程进行了研究。由于水合物分解过程耦合了热质传递过程,对水合物单颗粒在分解过程中与外部水流的传质传热规律也进行了分析。结果表明,增大水流温度和速度,减小水合物颗粒初始粒径均能提高水合物颗粒的分解速率,水流温度是水合物分解速率的主要控制因素。当水流温度达到298 K时,水合物颗粒粒径在60 s内从2mm减小到0.64 mm,转化率达到96.65%。水合物颗粒和水流间的传质传热过程受水流速度和颗粒粒径的控制。增大水流速度和减小粒径均能够加快颗粒的升温速度并降低颗粒外部的甲烷浓度。随着水流速度达到0.40 m/s,颗粒表面温度在2 s内从初始的274 K上升到水流温度293 K。当颗粒初始粒径为1.0 mm时,颗粒表面温度在1 s内从初始的274 K上升到水流温度293 K。最后,在甲烷-水-水合物颗粒的多相流动和流化床中水合物单颗粒分解的研究的基础上,基于反应器尺度,建立了流化床中水合物分解耦合流动的轴向模型,并通过增大床宽,对流化床的放大进行了分析。模拟结果表明,增大流化床温度,减小颗粒粒径,水合物的转化率均明显提高。在15 s时,随着流化床温度从283 K上升到298 1K,水合物的瞬时转化率从1.72%增大到47.44%,随着颗粒粒径从4.0 mm减小到0.5在mm,达到稳定后,水合物的瞬时转化率从11.91%上升到94.93%。床层中的流动则受流化气速的影响较大,增大流化气速均有助于轴向固相浓度的均匀分布,同时,床层进入稳定状态的时间也越短。通过增大床宽对流化床进行放大分析发现,随着流化床床宽增大,水合物的瞬时转化率略有降低。