油品加氢催化剂多尺度孔道结构的传递-反应规律研究

Due to increasingly stringent strategies for the environmental protection and improved requirements of the quality of the fuel product, the requirement to performance of the packed-bed reactor for clean fuel production is becoming rigor. Internal and external surfaces of the catalyst particles are the place in which catalytic reactions happen, and the pore among catalyst particles in the reactor are the channels for gas-liquid flow. Hence, it is a key role to properly design the catalyst structures 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 considering the catalyst structure design in a mono-scale or mono-level, without considering the catalyst design and packing in multi-scale. In this present proposal, multi-scale analysis and strategy are explored to develop catalyst designs for oil hydrofining process. Studies of length scales are classified into three levels, nano-scale (catalyst intrinsic structures), micro-scale (catalyst particle) and macro-scale (reactor size). The flow and reaction characteristics are to be respectively studied in each scale. Reactor model will be established by multi-scale coupling. This study will provide essential basis for the optimization design of catalyst structure, packing method of catalyst and reactor internals, and the development of oil hydrofining technology.

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。加氢反应器床层中是一个具有多尺度孔道结构的复杂体系，由催化剂颗粒堆积而成的毫米级床层孔道是气液流动的通道，而催化剂晶粒内本身存在的纳米级孔道以及晶粒之间堆积所形成的微米级孔道是催化反应的主要场所。因此合理设计催化剂孔道结构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。过去的研究多停留在单一尺度或单一层次上考虑催化剂结构对传递-反应性能的影响，缺乏从多个尺度综合考虑催化剂结构影响因素。为此，本项目拟以油品催化加氢脱硫过程为研究对象，基于多尺度方法，在纳米、微米和毫米级孔道尺度下研究孔道结构的传递-反应性能，并通过多尺度的耦合建立油品加氢精制的多尺度反应器模型，为催化剂结构、装填方式和反应器内构件的优化设计以及油品加氢精制工艺技术的开发提供必要的基础

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。加氢反应器床层是一个具有多尺度孔道结构的复杂体系，由催化剂颗粒堆积而成的毫米级床层孔道是气液流动的通道，而催化剂晶粒内本身存在的纳米级孔道以及晶粒之间堆积所形成的微米级孔道是催化反应的主要场所。为此，本项目以油品催化加氢脱硫过程为研究对象，在多个尺度下研究催化剂的传递-反应性能，建立油品加氢精制反应器模型，为反应器内构件的优化设计以及油品加氢精制工艺技术的开发提供必要的基础。. 本项目在分析FCC汽油选择性加氢脱硫反应器和流动特点的基础上，建立了包含内外扩散的轴向扩散拟均相固定床反应器模型，并对模型所涉及的反应动力学参数、反映催化剂内外扩散影响的有效因子，以及反应器床层的有效传质和传热系数进行了实验和模拟研究。基于反应器模型，考察了入口温度、液时空速、压力和氢油比对FCC汽油加氢反应器的温度分布和产物分布的影响，并综合分析了上述影响因素影响反应器性能的原因。结果表明，反应物的密度和表观流速是影响反应器温升的重要因素，得到了反应器处理量与反应器放热量之间的关系式，用于定量描述反应器温升。. 采用CFD数值模拟方法从多个尺度研究了床层空隙内的流体流动特性，考察了颗粒填充方式、颗粒大小、颗粒形状、液相速度、流体性质对颗粒表面持液量、停留时间、流体流动及传递的影响，了解了流体流动状体及流区转变规律。