新型液相加氢反应器的开发与流体力学放大研究

Direct coal liquefaction, hydrotreating of residual oil, heavy oil and coal tar are all liquid phase hydrogenation processes under harsh temperature and pressure conditions. Structure of the present ebullated bed hydrogenation reactor is very complex and the domestic development is difficult. In this project, a novel multiphase reactor with simple structure and high performance will be developed to fit the use of small catalyst particles with high activity. The key elements include: a high aspect ratio to enhance mixing and solid suspension, the conical bottom with jet feed to prevent segregation and settlement of solid particles, and the use of internals such as movable packings, draft tube and cyclone to meet the requirements of the fluid distribution, slurry circulation and separation, respectively. The research program covers a series of cold model experiments firstly to investigate hydrodynamic performance of the reactor under various conditions. Then the fluid dynamic analogy method will be employed to extrapolate the cold model experimental parameters to industrial reaction conditions. Finally, an unified three-phase hydrodynamic model of the reactor will be developed, and computational fluid dynamic simulations for the reactor scale up will be carried out. The novel three-phase reactor, together with the hydrodynamic model and the scale-up method that will be developed in this project are significant both in application and scientific area.

煤的直接液化以及液化油、渣油、重油、煤焦油的加氢过程都属于高温高压复杂物系极端条件下的过程，现有的沸腾床加氢反应器结构复杂，国产化开发有很大难度。本项目拟针对小颗粒高活性加氢催化剂开发一种结构简单而具有多方面功能的三相反应器，其要点是采用大高径比来满足固体悬浮与良好混合的要求，采用锥形底射流进料来防止颗粒分级和沉积，采用活动填料、导流筒、旋流器等内构件来分别满足流体分布、浆料循环、三相分离的要求。研究方案拟首先设计系统的冷模实验考察新型反应器在各种条件下的流体力学性能，然后采用流体动力学相似方法将冷模实验参数外推应用于工业反应条件，在此基础上建立统一的三相流体力学模型进行反应器的数学模拟放大。项目拟开发的新型三相反应器有重要应用价值，在流体力学模型和反应器放大方面有多项创新。

沸腾床加氢反应器是煤直接液化及重质油加氢过程中重要装备，但复杂的结构制约其广泛应用。针对小颗粒高活性的加氢催化剂，本项目提出了一种结构简单的多功能的三相反应器，即采用大高径比来满足固体悬浮与良好混合的要求，采用锥形底射流进料来防止颗粒分级和沉积，采用活动填料、导流筒、旋流器等内构件来分别满足流体分布、浆料循环、三相分离的要求。针对该新型反应器开展的流体力学研究工作包括冷模实验、相似放大以及数学模拟放大三个方面。在冷模实验方面，考察了不同分布器、导流筒以及列管等内构件在各种三相体系条件下的操作性能，测定相关的流体力学参数。普通气体分布器的影响限于约3倍直径高度的局部范围，初始分布受到布气方式、表观气速及塔径的影响，同时表观气速越大，床径越小，流动发展越迅速。提出了一种用于估算不同条件下包括含有内构件的三相床分布器影响区长度，其思想是类比圆管单相流入口段长度计算的准数模型，引入“湍动雷诺数”的概念，采用湍流粘度和气体滑移速度来估算该雷诺数，然后将实验测定的分布器影响区长度与湍动雷诺数进行关联。湍流粘度则采用充分发展区的CFD模型进行计算并归纳为气速、塔径、内构件的简单关系式。建立了浆态床的三相（液相、大气泡相以及小气泡相）流体力学模型，模型将列管对流动的力学作用等效地考虑为连续分布的体积源项，摒弃了固壁边界条件的做法。模型能够反映布气方式对浆态床内流动的显著影响，计算给出的不同布气方式下的气含率、轴向液速以及液相脉动速度与实验结果大体相符。本项目提出的新型三相反应器在流体力学模型和反应器放大方面的工作有多项创新，所提出的新型三相反应器在重劣质油加工过程有重要应用价值，已申请了多项发明专利。