超短接触旋流反应器内梯度场下反应分离耦合机理研究

Catalytic cracking process is the major heavier oil hydro method at home and abroad. Although FCC process is developing, traditional reactors have increasing disadvantages of low mixing strength, long reaction time,serious secondary cracking and coking. Based on this, quick-contact cyclone reactor techonology was put forward in the heavy oil FCC. The advantages of good heat and mass transfer performance, short contact time and real-time separation are available to slove the problems of heavy oil processing. Therefore, basic scietific researches are done to study the cracking reaction process under gradient field by using the methods of experiment, numerical simulation and therotical analysis. The main content include that: gas-solid two-phase pattern and migration laws, the characteristics of internal flow gradient field, establishment of flow gradient model under high temperature, theretical analysis of reaction kinetics, the gradient reaction mechanism in gradient field, coupling of reaciton and separation, estatblishment of 3-D two-phase gradient flow and reaction model of cyclone reactor. The subject aims to lay a theoretical foundation for basic research and provide the basis for the application of cyclone reactor technology.

重油催化裂化工艺是目前国内外主要重油轻质化加工过程之一，虽然催化裂化工艺不断发展，但传统反应器内混合强度低、反应时间长、二次裂化和设备结焦等弊端日益凸显。基于此，本课题提出了超短接触旋流反应器技术，旨在利用旋流反应器内组分间传热传质性能好、接触时间短、产物实时分离等优势来解决重油加工中存在的问题。课题拟以短接触旋流反应器为研究对象，基于实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法对旋流反应器内梯度流场下裂化反应过程进行基础科学研究。主要内容包括：研究旋流反应器内气固两相流态与迁移规律、相间作用规律及流动梯度场特征；建立高温下旋流反应器内流动梯度场模型；结合反应动力学，分析旋流反应器梯度场下重油催化裂化梯度反应机理，并将反应与分离过程进行耦合，建立旋流反应器内流动、传质、传热及反应的三维多相流动反应梯度数学模型。预期成果将为超短接触旋流反应器技术在重油加工过程中的应用奠定理论基础。

为了适应日趋重质化和劣质化的催化裂化过程，解决传统反应器传质传热效果差、反应时间长、设备结焦等问题，本项目提出了一种反应分离一体化反应器——新型超短接触旋流反应器。采用数值模拟、实验研究和理论分析相结合方法系统研究了结构参数和操作参数对超短接触旋流反应器内气固流动梯度场、传热、组分输运特性以及梯度反应行为的影响，获得了一些重要的新发现和新认识，主要包括：（1）旋流反应器混合腔内气固分布均匀性较好，为催化反应进行提供了前提，分离腔内速度、浓度、压力等各参数呈现明显梯度场，有利于两相间的分离。（2）当切向进气管位于混合腔顶部时反应器内的固相浓度分布最均匀，气固混合效果最好，有利于裂化反应的进行。原料油气与催化剂在混合腔内的接触时间约为0.25 s左右。（3）3μm以下粒径颗粒在反应器内出现“短路流”，在气固相速度发生变化时，气相速度对颗粒运动轨迹、分离效率的影响更大；（4）旋流反应器内气固两相可以实现短时接触快速传热，结构和操作参数对旋流反应器流场和温度场都有不同程度的影响，各参数对流动和传热的交互作用也不可忽略；（5）气相各产物在反应器内返混程度大于催化剂；原料油气与催化剂的接触时间大于其他气相产物，且到达分离空间后催化剂与产物完成了较为彻底的分离，有利于裂化反应的进行；（6）建立了旋流反应器内停留时间模型；（7）在离心力作用下，由于各产物密度差产生的反应器内梯度场分布增加了原料油气与催化剂的接触时间并能够实现产物与催化剂快速分离；短接触旋流反应器内汽油选择性高于提升管，产品结构组成更优；（8）分别建立压降模型、颗粒分布RNI模型、传热模型和梯度裂化反应模型；（9）结合旋流反应器特有的压力场、浓度场和温度场，建立旋流反应器内流动梯度场与反应梯度场匹配的综合模型。上述研究不仅为重油催化裂化用旋流反应器研发奠定了基础，所获得的新认识也在其它反应工程领域获得了应用，取得了显著的成果。