【摘要】：結(jié)構(gòu)化反應器具有壓降小、操作范圍大、傳質(zhì)性能好、擴散距離短、返混小和催化劑利用效率高等優(yōu)點，是替代常規(guī)多相反應器、強化多相催化反應過程的新反應器形式。 本文以結(jié)構(gòu)化多相反應器強化加氫脫硫過程為背景，采用實驗和理論方法在單通道和床層兩個尺度上研究結(jié)構(gòu)化多相反應器的傳遞和加氫脫硫反應性能。 首先，采用計算流體力學的方法研究了毛細管中泰勒流的氣液傳質(zhì)及軸向混合特性，結(jié)果表明：在整個氣液界面上傳質(zhì)系數(shù)出現(xiàn)三個峰值，分別位于半球帽頂端、半球帽下方以及液膜處，膜接觸時間增加時，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。采用場協(xié)同原則對單元胞內(nèi)速度場和濃度場進行分析，解釋了局部傳質(zhì)特性及強化機理，并給出了分別預測短和長膜接觸時間下泰勒流液側(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（0.25-3mm）內(nèi)的預測效果良好。此外，在Bo數(shù)大于10~5時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，最后給出了預測軸向擴散準數(shù)（VDN）的關(guān)聯(lián)式。 第二，研究了泰勒流下結(jié)構(gòu)化反應器床層壓降、持液量和氣液傳質(zhì)性能，重點考察了兩種不同分布器對床層內(nèi)流動和氣液傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明：分布器對結(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，這主要歸因于后者具有較高的氣液分散性能。通過對壓降和持液量數(shù)據(jù)的分析，分別給出了相應的預測關(guān)聯(lián)式。床層中的不穩(wěn)定區(qū)對分布器也較敏感，玻璃珠填充床分布器下床層具有更小的不穩(wěn)定區(qū)。在實驗的操作條件下，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Jepsen的關(guān)聯(lián)式進行了修正，得到的關(guān)聯(lián)式的預測值誤差在±30%以內(nèi)。 第三，采用微電導實驗測量了兩種不同分布器下結(jié)構(gòu)化反應器床層內(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表觀速度增大而改善，而對于噴嘴，氣速增大可能導致床層出現(xiàn)氣體主導的孔道，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)模型預測了整體床層的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)，結(jié)果與實驗值偏差大部分在±30%以內(nèi)。 最后，在溫度為300-380°C，壓力為3-5MPa的條件下，實驗研究了負載Ni_2P/SBA-15的堇青石催化劑上噻吩和二苯并噻吩（DBT）加氫脫硫反應動力學，分別采用Langmuir-Hinshelwood型動力學和一級動力學模型擬合了噻吩和二苯并噻吩加氫脫硫反應的動力學實驗數(shù)據(jù)，比較發(fā)現(xiàn)在本文操作條件下Ni-P催化劑的DBT加氫脫硫反應活性與工業(yè)上常用的雙金屬Co-Mo催化劑相當。建立了單通道結(jié)構(gòu)化反應器和滴流床模型，比較了兩者加氫脫硫反應性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在處理含相同濃度DBT的物料時結(jié)構(gòu)化反應器的催化劑用量是滴流床的三分之一，但是前者所用的反應器體積更大。而本文提出的兩段反應器組合（前段為結(jié)構(gòu)化反應器，后段為滴流床）體積產(chǎn)率和催化劑質(zhì)量產(chǎn)率均優(yōu)于滴流床反應器。分布對結(jié)構(gòu)化反應器加氫脫硫反應性能有顯著影響，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通道模型的計算結(jié)果。
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：X701.3

【參考文獻】

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本文編號：2657388