油品催化加氢反应器床层空隙分布优化设计的基础研究

Due to increasingly stringent strategies for the environmental protection and improved requirement of the quality of the fuel products, the requirement for performance of the packed-bed reactor for clean fuel production is becoming rigor. Internal and external surfaces of the catalyst are the place in which catalytic reactions happen, and the void among catalyst particles in bed layer are the gas-liquid flow channels. Hence, it is key role to properly design the particle shape as well as the void distribution in order to improve the catalyst performance and the efficient distribution of the reactants through the catalytic bed. However, most of the previous studies only concentrated on macroscopic performance of the reactor, the research results reflect neither the features of microscopic catalyst void nor the flow characteristics among particles. The aim of present study is to establish a void distribution model by considering particle shape, particle size and packing method of catalyst. Mass and energy transfer models will be established by investigating the flow characteristics of the hydroprocessing fixed-bed reactor. The flow and reaction process will be simulated by computational fluid dynamics (CFD) in order to inspect the scaling-up effect of the reactor and predict quantificationally pressure drop, liquid holdup, temperature distribution and reaction rate. This study is fundamental for the design of particle shape, packing method of catalyst and reactor internals.

随着环保法规的日益严格和产品质量要求的不断提高，对用于生产清洁油品的加氢填充床反应器的整体操作性能也提出了更高的要求。催化剂颗粒内外表面是催化反应的场所，而床层空隙是气液流动通道，因此合理设计颗粒外形和空隙大小既能充分发挥催化剂的性能，又能合理分配物流和能流，避免形成非理想的流动。但过去的化学反应工程研究多停留在宏观层面，所建模型不能有效揭示催化剂微孔反应特性和颗粒间的空隙流动特性。为此，本项目拟通过考察颗粒形状和装填方式等对空隙分布的影响，建立催化剂床层空隙分布模型；通过考察空隙内的两相流动特性和液固接触情况，建立油品催化加氢反应器的传递模型，借助CFD 方法模拟流动-反应过程，考察反应器的放大效应，实现对床层压降、持液量、温度分布和反应速率的定量预测，为催化剂形状、装填方式、反应器内构件的放大设计提供工程基础。

随着环保法规的日益严格和产品质量要求的不断提高，对用于生产清洁油品的加氢填充床反应器的整体操作性能也提出了更高的要求。催化剂颗粒内外表面是催化反应的场所，而床层空隙是气液流动通道，因此合理设计颗粒外形和空隙大小既能充分发挥催化剂的性能，又能合理分配物流和能流，避免形成非理想的流动。但过去的化学反应工程研究多停留在宏观层面，所建模型不能有效揭示催化剂微孔反应特性和颗粒间的空隙流动特性。. 本项目对规整装填的催化剂床层采用模拟计算方法计算空隙分布，而对非规整装填则采用实验统计方法计算空隙分布。模拟了三种规整装填方法，并计算空隙面积，得到了相应的空隙当量直径和空隙分布。采用注溶胶剖分法测量随机装填空隙分布。在随机装填颗粒容器内注入热熔胶凝固后随机得到任一断层图片，并采用截面空隙面积当量直径法测量颗粒间空隙大小。考察了催化剂颗粒大小、形状和颗粒装填方式对床层空隙分布的影响，建立了适用于不同大小、形状和装填方式的颗粒床层空隙分布模型，该模型有效地揭示了床层内空隙大小分布规律。基于空隙分布模型，建立了床层压力梯度预测模型 ，它与实验数据有好的一致。. 此外，本项目还采用VOF模型对气液两相绕流单个球形颗粒情形以及颗粒空隙间的气液两相流动规律进行了计算流体力学（CFD）模拟，考察了气速、液速等操作参数，以及液-固接触角、液相粘度等物性参数对流动状态的影响。模拟结果表明，液膜厚度随气速的增大有减小的趋势，且这种趋势在操作压力较高时更为明显。液速增大时，液相流体在颗粒表面迅速铺展，液膜厚度趋向均匀。液相流体在颗粒表面的流动形态随液固接触角的增大呈现由稳定膜流-不稳定膜流-液滴状流动的转变。粘度主要影响液相流体在颗粒表面的停留时间，而对流动形态的影响甚微。得到液相分布预测模型及各操作参数和物性参数对流体流动的影响规律，为反应器的设计放大及操作工艺优化提供了可靠的指导信息。