鼓泡流化床中介尺度结构与传递和反应的构效关系模型及其在甲烷化工艺中的应用

The key problem of the process intensification of multiphase reaction and the scale up of fluidized bed reactor is the strong coupling of transfer, reaction, as well as fluidized bed flow structure. The core is to gain an insight in to the coupling relationship between the meso-scale structure (bubble and particle cluster that between the scales of particle and reactor) and transfer-reaction, which is the choke point of the scale up of fluidized bed reactor. We are aiming to investigate the new theory and technology for the processs intensification and scale up of multiphase reactions based on the structure-efficiency relationships between the meso-scale structure and transfer, reaction; to investigate the effect of reactions involving gas-volume reduction on multiphase flow structures, transfer and reaction. These fundamental researches provide new insights for the scale up of fluidized reactor, and new technologies for efficient, by decoupling the complex relationships between flow structure in bed, transfer and reaction. And the methanation with highly exothermic reaction accompanied by a large decrease in mole number were selected as examples for industrial scale up study.

气固鼓泡流化床中多相反应的过程强化及反应器放大面临的关键问题是流动结构与传递和反应的强耦合问题，其核心是理解介于颗粒尺度和设备尺度之间的气泡和颗粒聚团不均匀介尺度结构与传递和反应的关系，已成为流化床反应器放大的瓶颈。本项目以介尺度结构与传递、反应和流动的耦合关系为核心，重点考察减分子反应对流化床流动结构、传递和流动的影响。通过对流化床反应器中流动结构、传递和反应复杂耦合关系解耦及模型化，获得介尺度结构与传递、反应的构效关系，理解传递、反应和流动强耦合流化床反应器的放大规律。同时用于模拟和指导具有强放热和减分子反应特点的甲烷化反应过程强化及放大，理解内构件和外场调控流化床介尺度结构和强化传递-反应规律，发展设备尺度调控新理论和新方法。

本项目以介尺度结构与传递、反应和流动的耦合关系为核心，对鼓泡流化床中介尺度结构模型和构效关系模型、磁场环境磁链内构件的强化作用、减分子反应对甲烷化催化剂流化行为的影响规律和甲烷化催化剂颗粒设计强化等进行了大量探索性研究，发展了气固鼓泡流化床介尺度结构模型和构效关系模型并加以验证；探明了磁场作用下磁性颗粒及其与非磁性颗粒的混合流化行为；揭示了减分子反应对甲烷化催化剂流化行为和催化剂结构的相互关系。主要结论如下：.(1) 发现横向内构件的添加将整个流化床分成了多个流化区域，将其模型化为多个鼓泡流化床的串联，并与CFD模拟相结合，可以较准确地模拟内构件鼓泡流化床内的气固流动行为。.(2) 明确了在磁控鼓泡流域内磁场才可以改善Geldart-B 类颗粒的流化质量，而在沟流鼓泡或分级鼓泡流域内磁场不能够改善颗粒的流化质量。.(3) 减分子反应严重影响催化剂颗粒的流化行为，使催化剂颗粒的流化质量降低；催化剂颗粒的流化质量降低反过来对催化剂的结构造成了破坏，进而影响催化剂的反应活性和稳定性。.(4) 创造性的构建了多级结构纳米镍催化剂，具有高的Ni分散度和强的活性金属-载体相互作用，提高了活性金属抗积炭和烧结能力。能够显著提高甲烷化催化活性和热稳定性。强化颗粒流动和反应，减小流化床中反应器的介尺度结构对反应和传递的不利影响。.相关研究发表在AIChE J.、Ind. Eng. Chem. Res.、Chem. Eng. J.等化学工程领域重要国际刊物上，SCI论文9篇，中文核心1篇（EI收录），申请国家发明专利2项。研究达到了课题预期目标。同时还受邀参与编写《化学工程手册》（第三版）“流态化”篇和“颗粒及颗粒系统”篇。