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结构化多相反应器多尺度传递和加氢脱硫反应性能研究

作　者: 许闽
导　师: 刘辉
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 结构化多相反应器泰勒流气液传质轴向混合加氢脱硫 CFD 多尺度
分类号: X701.3
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

结构化反应器具有压降小、操作范围大、传质性能好、扩散距离短、返混小和催化剂利用效率高等优点，是替代常规多相反应器、强化多相催化反应过程的新反应器形式。本文以结构化多相反应器强化加氢脱硫过程为背景，采用实验和理论方法在单通道和床层两个尺度上研究结构化多相反应器的传递和加氢脱硫反应性能。首先，采用计算流体力学的方法研究了毛细管中泰勒流的气液传质及轴向混合特性，结果表明：在整个气液界面上传质系数出现三个峰值，分别位于半球帽顶端、半球帽下方以及液膜处，膜接触时间增加时，液膜处的传质系数降低，而半球帽处传质系数变化较小。采用场协同原则对单元胞内速度场和浓度场进行分析，解释了局部传质特性及强化机理，并给出了分别预测短和长膜接触时间下泰勒流液侧体积传质系数的关联式，该式在较宽的管径尺度范围（0.25-3mm）内的预测效果良好。此外，在Bo数大于10⁵时泰勒流的液相返混程度随液栓长度增大略有减小，随液膜长度和气泡速度增大而增大，最后给出了预测轴向扩散准数（VDN）的关联式。第二，研究了泰勒流下结构化反应器床层压降、持液量和气液传质性能，重点考察了两种不同分布器对床层内流动和气液传质的影响。结果表明：分布器对结构化床层中的压降和持液量有很大影响，相比喷嘴分布器，玻璃珠填充床分布器具有较大的压降和持液量，这主要归因于后者具有较高的气液分散性能。通过对压降和持液量数据的分析，分别给出了相应的预测关联式。床层中的不稳定区对分布器也较敏感，玻璃珠填充床分布器下床层具有更小的不稳定区。在实验的操作条件下，床层内的液侧体积传质系数随液体表观速度增大而增大，随气体表观速度变化的影响较小。玻璃珠填充床分布器下的传质系数高于相同条件下喷嘴分布器下的值。三种不同载体的液侧体积传质系数均与各自的摩擦压降呈现线性关系。对Jepsen的关联式进行了修正，得到的关联式的预测值误差在±30%以内。第三，采用微电导实验测量了两种不同分布器下结构化反应器床层内不同孔道的气液分布状态。结果表明：床层液体分布均匀性随液体表观速度增大而改善，而对于喷嘴，气速增大可能导致床层出现气体主导的孔道，比较两种分布器可知玻璃珠填充床分布器的液体分布效果更好。通过半经验的分析获得了床层中的液栓长度，比较两种分布器下的液栓长度发现，相同气液条件下，玻璃珠填充床分布器下的液栓长度偏小。建立了全床尺度传质模型预测了整体床层的液侧体积传质系数，结果与实验值偏差大部分在±30%以内。最后，在温度为300-380°C，压力为3-5MPa的条件下，实验研究了负载Ni₂P/SBA-15的堇青石催化剂上噻吩和二苯并噻吩（DBT）加氢脱硫反应动力学，分别采用Langmuir-Hinshelwood型动力学和一级动力学模型拟合了噻吩和二苯并噻吩加氢脱硫反应的动力学实验数据，比较发现在本文操作条件下Ni-P催化剂的DBT加氢脱硫反应活性与工业上常用的双金属Co-Mo催化剂相当。建立了单通道结构化反应器和滴流床模型，比较了两者加氢脱硫反应性能，结果发现，在处理含相同浓度DBT的物料时结构化反应器的催化剂用量是滴流床的三分之一，但是前者所用的反应器体积更大。而本文提出的两段反应器组合（前段为结构化反应器，后段为滴流床）体积产率和催化剂质量产率均优于滴流床反应器。分布对结构化反应器加氢脱硫反应性能有显著影响，表观气速增大，结构化床层加氢脱硫性能略有降低，表观液速增大，结构化床层加氢脱硫性能改善。相比喷嘴分布器，填充床分布器下床层的加氢脱硫性能更接近均匀分布的情况，在较大液速下，尽管仍然存在液体的不均匀分布，填充床分布器下床层加氢脱硫性能接近单通道模型的计算结果。

全文目录

摘要  6-9
ABSTRACT  9-13
符号说明  13-25
第一章文献综述  25-45
  引言  25
  1.1 结构化多相反应器的特点及应用  25-27
  1.2 结构化反应器中泰勒流的多尺度传递性能：单通道和床层尺度  27-38
    1.2.1 压降  27-30
    1.2.2 气、液含率  30-32
    1.2.3 气、液栓长度  32-33
    1.2.4 气液分布  33-35
    1.2.5 气液传质性能  35-37
    1.2.6 液相混合特性  37-38
  1.3 结构化反应器反应性能  38-39
  1.4 加氢脱硫技术  39-43
    1.4.1 加氢脱硫催化剂  39-40
    1.4.2 加氢脱硫反应动力学  40-41
    1.4.3 加氢脱硫反应器技术  41-43
  1.5 论文的研究目的及主要研究内容  43-45
第二章毛细管中泰勒流液侧传质和轴向混合特性的 CFD 模拟  45-61
  引言  45
  2.1 CFD 模型  45-46
  2.2 计算条件及数据处理  46-49
  2.3 结果与讨论  49-60
    2.3.1 单元胞内局部传质特性  49-51
    2.3.2 泰勒流单元胞中传质的场协同分析  51-53
    2.3.3 毛细管内泰勒流的平均传质特性  53-56
    2.3.4 毛细管内泰勒流的轴向混合性质  56-60
      2.3.4.1 不同参数对轴向分散系数的影响  57-59
      2.3.4.2 轴向扩散系数的关联  59-60
  2.4 本章小结  60-61
第三章结构化多相反应器床层尺度上压降、持液量和液侧传质  61-79
  引言  61
  3.1 实验部分  61-65
    3.1.1 实验装置及测量方法  61-63
    3.1.2 数据处理方法  63-65
  3.3 结果与讨论  65-77
    3.3.1 结构化反应器中持液量、压降的基本特征  65-68
    3.3.2 压降与持液量的关联  68-71
    3.3.3 负压降与不稳定现象的分析  71-72
    3.3.4 液侧体积传质系数  72-76
    3.3.5 液侧体积传质系数的关联  76-77
  3.4 本章小结  77-79
第四章结构化多相反应器气液分布特征及其与气液传质的关系  79-91
  引言  79
  4.1 实验系统  79-80
  4.2 数据处理  80-82
    4.2.1 孔道内持液量及不良分布因子  80-81
    4.2.2 孔道内液体表观速度及液栓长度  81-82
  4.3 结果与讨论  82-88
    4.3.1 床层气液分布特征  82-86
      4.3.1.1 床层内持液量的径向分布  82-84
      4.3.1.2 液体不良分布因子  84-86
    4.3.2 孔道尺度的气液流动参数  86-88
      4.3.2.1 单通道内的持液量  86-87
      4.3.2.2 单通道内的液栓长度  87-88
  4.4 分布对传质的影响  88-89
  4.5 本章小结  89-91
第五章结构化多相反应器的加氢脱硫反应性能  91-117
  引言  91
  5.1 镍磷堇青石催化剂上噻吩和二苯并噻吩的加氢脱硫动力学  91-100
    5.1.1 实验部分  91-93
    5.1.2 噻吩加氢脱硫  93-96
      5.1.2.1 内外扩散影响的消除  93-94
      5.1.2.2 噻吩浓度和氢气压力的影响  94-95
      5.1.2.3 动力学模型建立  95-96
    5.1.3 二苯并噻吩加氢脱硫  96-100
      5.1.3.1 DBT 加氢脱硫反应途径  96-98
      5.1.3.2 内外扩散限制的消除  98
      5.1.3.3 DBT 浓度和氢气压力的影响  98-99
      5.1.3.4 DBT 加氢脱硫动力学模型建立  99-100
      5.1.3.5 与文献催化剂二苯并噻吩加氢脱硫性能的比较  100
  5.2 结构化反应器与滴流床加氢脱硫反应性能的模型化比较  100-110
    5.2.1 结构化反应器模型  101-104
      5.2.1.1 模型假设  101
      5.2.1.2 模型建立  101-102
      5.2.1.3 传递参数  102-103
      5.2.1.4 边界条件  103
      5.2.1.5 计算结果  103-104
    5.2.2 滴流床反应器模型  104-108
      5.2.2.1 模型假设  104-105
      5.2.2.2 模型建立  105-106
      5.2.2.3 传递参数  106-107
      5.2.2.4 计算结果  107-108
    5.2.3 单通道结构化反应器与滴流床加氢脱硫性能的比较  108-110
  5.3 气液分布对结构化多相反应器加氢脱硫性能的影响  110-115
    5.3.1 气液表观速度的影响  111-113
    5.3.2 分布器的影响  113-115
  5.4 本章小结  115-117
第六章结论  117-121
  6.1 本文主要结论  117-119
  6.2 本文创新点  119-120
  6.3 对下一步工作的建议  120-121
参考文献  121-129
致谢  129-131
研究成果及发表的学术论文  131-133
作者和导师简介  133-134
附件  134-135

结构化多相反应器多尺度传递和加氢脱硫反应性能研究

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