结构化多相催化反应器加氢脱硫反应性能模拟

论文摘要

柴油作为一种重要的液体燃料,是空气中SO2的主要来源。随着人们对环境质量要求的日益增高,降低柴油中的含硫量成为一个亟待解决的问题。为此,强化催化加氢脱硫反应器性能是实现柴油低硫化的重要途径。结构化催化反应器是一种新型反应器,具有低压降、高传质速率和易放大等优点,成为代替传统多相反应器的有力选择。本文采用数值模拟的方法,选用二苯并噻吩作为柴油加氢脱硫反应的含硫模型化合物,考察结构化催化反应器加氢脱硫反应在泰勒流和膜流下的传质、传热和反应性能,以期为结构化催化反应器技术的研发提供基础依据。首先,根据对结构化催化反应器特点的分析,在结构化催化反应器模型化方法上,建立了基于平衡级概念的拟均相物理模型和非均相物理模型,并在两个物理模型下,分别针对反应器内的两个流型泰勒流和膜流展开研究。然后,根据以上的物理模型列出相应的数学模型,用MATLAB进行求解计算。在拟均相模型中,分别在泰勒流和膜流下反应器内进行二苯并噻吩加氢脱硫反应的浓度、温度分布；在非均相模型中,分别在泰勒流和膜流下反应器内进行二苯并噻吩和噻吩加氢脱硫反应的浓度、温度分布和基于反应器体积的产率,据此考察泰勒流和膜流下结构化催化反应器的传质、传热和反应性能,并比较其优劣。结果表明：结构化催化反应器在两种流型下都有很好的气液和液固传质性能；比较两个流型下的传热和反应性能发现,反应器在泰勒流下的传热阻力比膜流小,基于反应器体积的产率比膜流高；对于该操作条件下(压力为1.8×107Pa,温度为598K,二苯并噻吩浓度为47.3mol/m3,膜流下液相表观速度uL为0.01m/s,泰勒流下uL为0.046m/s),由于反应放热引起的结构和催化反应器内的温升很小(小于3摄氏度),可以忽略反应放热对结构化催化反应性能的影响；结构化催化反应器在慢反应二苯并噻吩加氢脱硫反应条件下,反应器的性能较滴流床反应器差,在快反应噻吩加氢脱硫反应条件下性能优于滴流床反应器。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 引言
• 1.1 结构化催化剂的概述
• 1.1.1 结构化催化剂的应用
• 1.1.2 结构化催化剂的制备
• 1.2 结构化催化反应器的动力学特性
• 1.2.1 流型
• 1.2.2 床层压降
• 1.2.3 气含率和液栓长度
• 1.3 结构化催化反应器的传质特性
• 1.3.1 液-固间的质量传递
• 1.3.2 气-液间的质量传递
• 1.3.3 气-固间的质量传递
• 1.4 加氢脱硫的反应机理及动力学
• 1.4.1 加氢脱硫反应机理
• 1.4.2 加氢脱硫反应动力学
• 1.5 结构化反应器的模型化
• 1.6 本课题研究的意义和内容
• 1.6.1 课题研究的意思
• 1.6.2 课题研究的内容
• 第二章 加氢脱硫结构化反应器的拟均相模型及反应性能模拟
• 2.1 拟均相物理模型的建立
• 2.2 化学反应及动力学
• 2.3 数学模型的建立
• 2.3.1 质量传递方程
• 2.3.2 热量守恒方程
• 2.4 物性和操作条件
• 2.4.1 物性计算
• 2.4.2 操作条件
• 2.5 传质系数和传热系数关联式
• 2.5.1 Taylor流下的传质关联式
• 2.5.2 Taylor流下的传热系数关联式
• 2.5.3 膜流下的传质关联式
• 2.5.4 膜流下的传热系数关联式
• 2.6 模型的求解
• 2.7 结果分析及讨论
• 2.7.1 Taylor流的模拟结果
• 2.7.2 膜流的模拟结果
• 2.7.3 两种流型模拟结果比较
• 第三章 加氢脱硫结构化反应器的非均相模型及反应性能模拟
• 3.1 物理模型的建立
• 3.2 数学模型的建立
• 3.2.1 质量传递方程
• 3.2.2 热量守恒方程
• 3.3 物性和操作条件
• 3.4 非均相模型下的传质系数和传热系数关联式
• 3.4.1 Taylor流下的传质系数和传热系数关联式
• 3.4.2 膜流下的传递关联式
• 3.5 模型的求解
• 3.6 模型的验证
• 3.7 结果分析及讨论
• 3.7.1 Taylor流的模拟结果
• 3.7.2 膜流的模拟结果
• 3.7.3 两种流型模拟结果的比较
• 3.8 反应的体积产率
• 第四章 结论及建议
• 4.1 结论
• 4.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介