沸腾床渣油加氢反应器的模型化与数值模拟

Ebullated bed reactors for residue hydroprocessing are attracting increasing academic and industrial research interest in view of the many popential applications in heavy oil hydroconversion technologies. However, the lack of theoretical basis for the ebullated bed reactor restricts its scale up and wide application. Based on our previous research works, the fundamental experiments of fluid dynamics and CFD simulations will be performed in ebullated bed reactors of 0.1, 0.3, 0.5 and 1 m diameter in the present project. To identify the liquid circulation flow structure in the ebullated bed reactors, a set of multipoint tracer injection and detection device are developed for a systematic study. In order to determine the hydrodynamic properties including gas holdup, bubble size distribution and bubble velocity distribution, an eight-channel conductivity probe system is used. The systematic study of the fluid hydrodynamic behavior at different operating conditions provides a basis for design and scaling up of ebullated bed reactors.

在原油劣质化和产品清洁化的交互推动下，沸腾床渣油加氢技术正在成为越来越重要的渣油加氢工艺，但由于缺乏足够的理论依据而使此工艺难于进行有效放大和广泛应用。本项目拟通过基本的流体力学实验与CFD数值模拟计算，采用示踪剂多点注入与多点检测方法和八通道电导探针技术，深入研究一套小试规模和三套中试规模沸腾床反应器在不同操作条件下液体循环流动的机理以及气含率、气泡大小和气泡速度的分布规律，以获得反应器的关键模型参数，为沸腾床渣油加氢反应器的工程设计和工业放大提供理论基础。

本课题通过基本的流体力学实验与CFD数值模拟计算，采用示踪剂多点注入与多点检测方法和八通道电导探针技术，深入研究了三套中试规模沸腾床反应器在不同操作条件下液体循环流动的机理以及气含率、气泡尺寸和气泡速度的分布规律，获得了反应器的关键模型参数，为沸腾床渣油加氢反应器的工程设计和工业放大提供了理论基础。研究采用三氧化二铝颗粒作为固相，其中固体颗粒的平均粒径为0.4 mm，床层固体含量的变化范围从0 vol% 变至30 vol%。示踪剂实验结果表明，在所有考察条件下，每组示踪剂响应曲线均存在明显的长拖尾现象，这说明沸腾床内存在剧烈的液体返混现象。导流筒实验则表明沸腾床内的液体具有多尺度的循环涡结构，这些涡结构包括横跨整个反应器的大尺度规则循环涡，流体混合可发生在微观水平上的小尺度脉动循环涡和尺寸介于二者之间的各中等尺度循环涡结构。电导探针实验及CFD数值模拟计算研究结果表明，局部气含率分布曲线的形状受表观气速的影响较大，局部气含率会随着表观气速的增加而变大，在低表观气速下，气含率增加的幅度较大；在高表观气速下，气含率的增加幅度较小。而气泡频率和气泡比表面积也会随表观气速的增加而变大。研究还发现，气泡尺寸分布的范围会随着表观气速的降低而变窄，气泡速度分布范围会随着表观气速的增加而变宽、变大。