汽油脱硫催化精馏体系的浓度多尺度问题研究

化工复杂系统的浓度多尺度是一类新的多尺度问题，现有的气固流态化多尺度、扰动流体旋涡多尺度和材料结构多尺度的研究结果已不能解决这类问题。本项目针对汽油脱硫催化精馏体系的浓度多尺度特征，研究多尺度量化方法。采用宏观-细观双尺度耦合分析，结合反应与分离耦合作用的特点，从局部组成入手，探索对流体混合物的浓度多尺度分解的有效途径，并进行分尺度的反应动力学、热力学、流体力学和传质学的实验研究，建立相间传质传热和化学反应耦合动力学模型，获取不同尺度的模型参数，通过物理化学分析，揭示相平衡与反应速率模型之间跨尺度联系的新特征和规律性，提出确定稳定性条件的原则，建立耦合系统的综合数学模型和精确的求解方法。本项目研究成果将为汽油脱硫创新技术提供坚实的理论设计基础和有效的数值模拟手段，同时为复杂化工过程多尺度方法的发展和深化充实新的科学内涵。

本项目针对汽油脱硫体系催化精馏复杂系统，将能量最小原理模型应用于模拟分析带有化学反应的汽液平衡体系，探索和解释了催化精馏过程的控制机理。提出了控制机制竞争多尺度的思想，并应用该思想为催化精馏过程建立了多尺度模型。研究中采用具有固体催化剂的单级反应蒸馏过程作为催化精馏塔的一个平衡级进行实验和数值计算。.从微尺度分析，液相易挥发反应物分子具有双重可变潜能，一种变化趋势是由蒸馏作用导致的液体汽化，另一种是由催化剂作用导致的化学变化。作用于同一个液体分子的这两种机制产生了相反的作用力，从而提出了双控制机制的新观点，即在催化精馏体系中反应物的蒸馏与化学转化两种控制机制相互竞争。而传统的催化蒸馏模型都是建立在宏观尺度，仅仅体现了反应和蒸馏的相互促进，但是忽略了这种相互竞争的的作用。.为了关联微尺度和宏尺度对两种不同控制机制的表达，提出了一种适用于催化蒸馏过程的介尺度方法。尽管液体反应物分子同时受到蒸馏和催化这两种机制的控制，但是最终只能发生一种变化。化学变化发生在固体催化剂表面，需要经历吸附-反应-脱附的过程，反应物的吸附是反应控制机制的边界条件，发生吸附的反应物分子不再受蒸馏作用的控制。根据这个原理提出了虚拟双液相的概念，即在催化蒸馏填料表面存在虚拟反应液相和虚拟蒸馏液相，并建立了基于Langmuir吸附等温及其液固吸附扩展模型的介尺度数值方法。.对汽油脱硫体系在微浓度和全浓度范围进行了实验和相平衡数据对比，结果表明稀溶液中微量组分的汽液相浓度呈现二次多项式关系，无法使用全浓度相平衡模型和传统的Herry定律描述，并验证了反应和蒸馏浓度尺度跨度较大体系的多尺度反应相平衡的控制机制竞争多尺度模型。