結(jié)構(gòu)化多相反應(yīng)器多尺度傳遞和加氫脫硫反應(yīng)性能研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器具有壓降小、操作范圍大、傳質(zhì)性能好、擴(kuò)散距離短、返混小和催化劑利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，是替代常規(guī)多相反應(yīng)器、強(qiáng)化多相催化反應(yīng)過程的新反應(yīng)器形式。
　　 本文以結(jié)構(gòu)化多相反應(yīng)器強(qiáng)化加氫脫硫過程為背景，采用實(shí)驗(yàn)和理論方法在單通道和床層兩個(gè)尺度上研究結(jié)構(gòu)化多相反應(yīng)器的傳遞和加氫脫硫反應(yīng)性能。
　　 首先，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法研究了毛細(xì)管中泰勒流的氣液傳質(zhì)及軸向混合特性，結(jié)果表明:在整個(gè)氣液界面上傳質(zhì)系數(shù)出現(xiàn)三個(gè)峰值，分

2、別位于半球帽頂端、半球帽下方以及液膜處，膜接觸時(shí)間增加時(shí)，液膜處的傳質(zhì)系數(shù)降低，而半球帽處傳質(zhì)系數(shù)變化較小。采用場(chǎng)協(xié)同原則對(duì)單元胞內(nèi)速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行分析，解釋了局部傳質(zhì)特性及強(qiáng)化機(jī)理，并給出了分別預(yù)測(cè)短和長膜接觸時(shí)間下泰勒流液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，該式在較寬的管徑尺度范圍(0.25-3 mm)內(nèi)的預(yù)測(cè)效果良好。此外，在Bo數(shù)大于105時(shí)泰勒流的液相返混程度隨液栓長度增大略有減小，隨液膜長度和氣泡速度增大而增大，最后給出了預(yù)測(cè)軸向擴(kuò)散

3、準(zhǔn)數(shù)(VDN)的關(guān)聯(lián)式。
　　 第二，研究了泰勒流下結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器床層壓降、持液量和氣液傳質(zhì)性能，重點(diǎn)考察了兩種不同分布器對(duì)床層內(nèi)流動(dòng)和氣液傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明:分布器對(duì)結(jié)構(gòu)化床層中的壓降和持液量有很大影響，相比噴嘴分布器，玻璃珠填充床分布器具有較大的壓降和持液量，這主要?dú)w因于后者具有較高的氣液分散性能。通過對(duì)壓降和持液量數(shù)據(jù)的分析，分別給出了相應(yīng)的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。床層中的不穩(wěn)定區(qū)對(duì)分布器也較敏感，玻璃珠填充床分布器下床層具有更小的不

4、穩(wěn)定區(qū)。在實(shí)驗(yàn)的操作條件下，床層內(nèi)的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)隨液體表觀速度增大而增大，隨氣體表觀速度變化的影響較小。玻璃珠填充床分布器下的傳質(zhì)系數(shù)高于相同條件下噴嘴分布器下的值。三種不同載體的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)均與各自的摩擦壓降呈現(xiàn)線性關(guān)系。對(duì)Jepsen的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了修正，得到的關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值誤差在±30％以內(nèi)。
　　 第三，采用微電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了兩種不同分布器下結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器床層內(nèi)不同孔道的氣液分布狀態(tài)。結(jié)果表明:床層液體分布均勻性隨液體

5、表觀速度增大而改善，而對(duì)于噴嘴，氣速增大可能導(dǎo)致床層出現(xiàn)氣體主導(dǎo)的孔道，比較兩種分布器可知玻璃珠填充床分布器的液體分布效果更好。通過半經(jīng)驗(yàn)的分析獲得了床層中的液栓長度，比較兩種分布器下的液栓長度發(fā)現(xiàn)，相同氣液條件下，玻璃珠填充床分布器下的液栓長度偏小。建立了全床尺度傳質(zhì)模型預(yù)測(cè)了整體床層的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差大部分在±30％以內(nèi)。
　　 最后，在溫度為300-380℃，壓力為3-5 MPa的條件下，實(shí)驗(yàn)研究了負(fù)載N

6、i2P/SBA-15的堇青石催化劑上噻吩和二苯并噻吩(DBT)加氫脫硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，分別采用Langmuir-Hinshelwood型動(dòng)力學(xué)和一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合了噻吩和二苯并噻吩加氫脫硫反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較發(fā)現(xiàn)在本文操作條件下Ni-P催化劑的DBT加氫脫硫反應(yīng)活性與工業(yè)上常用的雙金屬Co-Mo催化劑相當(dāng)。建立了單通道結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器和滴流床模型，比較了兩者加氫脫硫反應(yīng)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在處理含相同濃度DBT的物料時(shí)結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器的催化劑用量

7、是滴流床的三分之一，但是前者所用的反應(yīng)器體積更大。而本文提出的兩段反應(yīng)器組合（前段為結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器，后段為滴流床）體積產(chǎn)率和催化劑質(zhì)量產(chǎn)率均優(yōu)于滴流床反應(yīng)器。分布對(duì)結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器加氫脫硫反應(yīng)性能有顯著影響，表觀氣速增大，結(jié)構(gòu)化床層加氫脫硫性能略有降低，表觀液速增大，結(jié)構(gòu)化床層加氫脫硫性能改善。相比噴嘴分布器，填充床分布器下床層的加氫脫硫性能更接近均勻分布的情況，在較大液速下，盡管仍然存在液體的不均勻分布，填充床分布器下床層加氫脫硫性能接近單