基于多孔介质模型的固定床加氢反应器内气液两相流动基础研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:ding_zh
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随着环保标准的日益严格,石油加工领域迫切需要开发新型油品加氢工艺。液相加氢工艺由于无需进行氢气循环、操作成本低,转化效果好等优点,在油品加氢领域日益受到重视。液相加氢采用固定床反应器,在该反应器中,催化剂颗粒浸没在液相油品中,氢气以微过量(相比化学氢耗)的形式通过反应器,反应器内涉及到气液两相之间以及与催化剂颗粒之间的相互作用,使得反应器内的流动特性异常复杂。为了深入研究该反应器内的流动特性,本文对该反应器构建了数学模型,通过文献数据验证了模型的准确性,并进一步采用该模型开展了液相原料性质、操作条件、催化剂颗粒性质、反应器结构参数等因素对流动特性的影响。首先根据床层的性质和流体性质等因素,选择双流体模型来处理反应器中的气液两相反应物,使用多孔介质模型来处理床层中的催化剂颗粒。考虑到气液两相之间的曳力模型对数值模拟准确性的重要影响,考察了S-N模型、Tomiyama模型、universal模型三种不同的曳力模型计算得到的结果的区别。经过和实验数据的对比验证,确定了S-N模型为适宜的曳力模型。考虑到液相加氢固定床反应器可以处理多种性质不同的液相油品,为此,采用所建立的数学模型考察了不同液相性质(密度和粘度)对反应器流动特性的影响。结果表明,液相密度增加,床层压降增加,持液量增加;液相粘度增加,床层压降增加,持液量也总体呈现增加的趋势。这意味着原料油性质越恶劣,即密度和粘度越大,反应器压降越大,能耗越高;同时,持液量增加表明氢气的体积分率减小,气液接触越不充分,将导致反应转化效果也会越差。在操作条件方面考察了气液两相进料速度对床层流动行为的影响;同时考察了催化剂颗粒性质--床层空隙率对反应器流动特性的影响规律。模拟结果表明,气相速度增加,床层压降减少,持液量减少;液相速度增加,床层压降增加,持液量增加;床层空隙率增加时,流动阻力降低,压降和持液量都会减少。可见,适宜的操作条件对反应器的流动特性至关重要。在床层结构方面,考察了反应器在工程放大过程中反应器的直径与高度对流动特性的影响,以及由于不同气体分布器引起的初始气泡尺寸对床层流动行为的影响。结果表明,反应器直径越大,床层压降越大;床层高度对反应器持液量和压降的影响并不明显;初始气泡尺寸越大,计算稳定后床层中的持液量越大。本文针对液相加氢固定床反应器流动特性的影响,可以为该反应器的工程放大与优化设计提供重要的基础信息。
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