[发明专利]MIHA纯气动操作条件下反应速率及转化率调控模型建模方法

说明书

本发明涉及MIHA纯气动操作条件下反应速率及转化率调控模型建模方法，通过分析纯气动条件下气泡生成过程，建立气泡破碎器内的能量转化模型；基于气泡破碎器内的能量转化模型和液体循环，计算液体流量，获取气液强烈混合区能量耗散率、气泡尺度，最终获取反应速率及转化率计算模型。本发明的方法针对MIHA建立了纯气动操作条件下反应速率及转化率调控模型，综合反映了反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对反应速率及转化率的影响，可实现对反应器设计及MIHA的反应体系设计的指导，指导设计高效的反应器结构和反应体系。

技术领域

本发明属于反应器、建模技术领域，具体涉及MIHA纯气动操作条件下反应速率及转化率调控模型建模方法。

背景技术

出于对全球环境保护的考虑，船用燃料油须降低硫含量，如公海船用燃料油含硫量须降至0.5％，因此，用低硫馏分燃料油替代高硫残渣燃料油势在必行。原油中大部分硫存在于渣油中，渣油中的硫主要分布在芳烃、胶质和沥青质中，其中绝大部分硫以五元环的噻吩和噻吩衍生物的形式存在。一般是采用通过氢解反应将渣油大分子的C-S键断开，使硫转化为硫化氢以脱除渣油中的硫。存在于非沥青质中的硫，在加氢条件下较容易脱除，可达到较高的转化深度。但由于沥青质是渣油中相对分子质量最大、结构最复杂、极性最强的大分子，其中的硫很难脱除，导致渣油加氢脱硫过程中的脱硫率有限。

在渣油加氢脱硫反应(下称MIHA)过程中，含硫沥青质的转化至关重要。沥青质的核心部分是高度缩合的稠合芳香环系。其稠合芳香环系周围带有数量和大小不等的烷基、环烷基结构，是渣油中缩合度最大的组分，同时含有S、N、O、金属等杂原子，形态和分子结构复杂。在渣油加氢转化过程中，沥青质主要发生由大分子变成小分子的裂解和小分子脱氢聚合生成大分子的缩合两类方向相反的反应。本发明以沥青质加氢脱硫反应作为渣油加氢过程的模型反应，考察反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对气泡破碎器内反应速率及转化率的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供MIHA纯气动操作条件下反应速率及转化率调控模型建模方法，以研究反应器结构、体系物性以及操作参数、以及输入能量对反应速率及转化率的影响，从而实现对MIHA反应器设计及MIHA的反应体系设计的指导。

MIHA微气泡形成可采用三种方式，即：纯液动、纯气动以及气液联动。纯液动和纯气动操作条件下，体系运行以及微气泡形成所需能量完全由液体机械能或气体静压能提供；气液联动操作条件下，气体静压能和液体机MIHA微气泡形成可采用三种方式，即：纯液动、纯气动以及气液联动。纯液动和纯气动操作条件下，体系运行以及微气泡形成所需能量完全由液体机械械能同时提供体系运行及微气泡形成所需能量。本发明探讨了纯气动操作条件下反应速率及转化率调控模型建模方法，本发明的方法包括如下步骤：

设氢气和含沥青质分别为A和B，且两者以化学计量比1:1发生反应，即两者的宏观反应速率相等，此时B的反应级数为0.5；当不考虑催化剂表面液固传质阻力对宏观反应速率的影响时，单位体积催化剂下A的宏观反应速率r_A依据其定义简化如下：

其中，k_A为A的本征反应速率常数，k_G为气相传质系数，k_L为液相传质系数，P_G为气泡内气体压力，a为相界面积，H_A为亨利系数；为反应器内B的平均摩尔浓度；

由于A和B反应的化学计量比为1:1，因此，k_A等效为B的本征反应速率常数k_B；质量空速下，B的本征反应速率常数k_B⁰表示为：

将催化剂质量换算为体积并进行单位简化，A和B的实际本征反应速率常数k_A和k_B表示如下：