FCC汽油加氢脱硫四集总反应动力学数值模拟

作者:刘小波;毛羽;王江云;王娟 刊名:石油学报(石油加工) 上传者:白昌建

【摘要】采用欧拉多相流模型、四集总反应动力学模型、多孔介质传热模型和层流有限速率模型,对FCC汽油加氢脱硫反应器内的多相流动、反应和传热进行了数值模拟计算,考察了多孔介质床层的速度场、温度场、脱硫率和影响脱硫率的各操作参数。结果表明,多相流和传热模型的选取、集总参数的求解和等价反应模型的设置能够较准确地描述三相流动状态及温度分布状态,四集总反应动力学模型结合层流有限速率模型能较准确地模拟计算脱硫率高达94%(质量分数)的深度脱硫过程。在该模型良好的适应性和外推性的基础上,计算了体积空速、反应压力和氢/油体积比3个操作参数对FCC汽油加氢脱硫率的影响。

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中国车用汽油的80%来自于催化裂化汽油(FCC汽油),所以FCC汽油的清洁化是中国车用汽油清洁化需要重点考虑的问题。FCC汽油加氢脱硫是保证车用汽油清洁化的关键步骤。在加氢脱硫过程中,FCC汽油中的硫醇、硫醚和二硫化物等硫化物被脱除,而噻吩及其衍生物较难被脱除。目前,国内外学者主要通过集总反应动力学方法模拟计算FCC汽油加氢脱硫过程[1-3],然而单一地使用这种方法往往不能够表达反应器内流体的流动过程及反应过程。基于此,笔者采用了集总反应动力学与数值模拟相结合的方法,模拟计算了FCC汽油加氢脱硫的过程以及影响加氢脱硫率的几个操作因素。采用集总动力学数值模拟,不仅可以计算加氢精制反应器内多相流动过程,而且可以计算加氢脱硫反应过程,并为反应器的设计、优化及选择良好的操作工艺参数提供参考。1FCC汽油加氢脱硫四集总反应动力学数学模型的建立1.1反应器内多相流动的数学模型采用多流体模型控制方程模拟计算FCC汽油加氢精制反应器内的多孔介质床层区域。采用了双流体界面力模型,气相与固相、液相与固相的相互作用力作为动量方程的源项。在流动方程中,每相满足各自的质量守恒方程和动量守恒方程[4]。连续性方程:tj(j)+jju(j)=0(1)动量守恒方程:tjju(j)+jjuju(j)=-jp+jjg+Sj(2)相间动量相互作用模型:当p>10MPa时,选用双流体界面力模型作为相间动量相互作用模型。气-液(GL)、气-固(GS)、液-固(LS)相间曳力作用表达式如式(3)(5)所示[5]。FGL=G1-S150G(1-G)2G2Gd2S1-()G0.667[+1.8GuG-u(L)(1-G)GdS1-()G]0.333(3)FGS=G1-S150G(1-G)2G2Gd2S1-()G0.667[+1.8GuG(1-G)GdS1-()G]0.333(4)FLS=150L2SL2Ld2+1.8LuLSLd(5)1.2四集总反应动力学模型采用基于容积反应的层流有限速率反应模型模拟化学反应。对于解决化学组分的守恒方程,需要求解每一组分的质量分数,而求解每一组分的质量分数由求解每一组分的对流扩散方程完成。以H2(气相)为连续相,设为单一组分,液相为离散相,设为混合体系。反应产物H2S的数量级相对于连续相(H2)可以忽略,与液相的相间作用力可以忽略不计,划分到第2相中,用集总的方法表达液相多组分,因此多孔介质区域气相和液相的组分对流扩散方程分别如式(6)、(7)所示。气相:t(GGLG)+(GGuGLG)=-GJG+GOG+SG(6)混合相:t(mixmixai)+(mixmixuiai)=-mixJi+mixOi+Si(7)1.2.1模型假设(1)催化剂均匀装填,可视固定床层为多孔介质区域,并且为各向同性;(2)在各个集总的反应过程中,互不影响,均为一级反应;(3)床层孔隙率均匀一致且不受反应产物的影响。1.2.2集总的划分及反应网络FCC汽油加氢脱硫是一个包含众多组分同时反应的复杂系统,同时反应过程中原料多变且产品方案经常调整。因此,建立加氢脱硫反应动力学模型就需要能够准确预测不同原料和产品方案时的复杂反应过程。在本研究中,综合前人的研究成果,应用集总理论提出加氢脱硫集总反应动力学模型,根据化学结构将FCC汽油中的硫化物反应体系划分为四集总,分别为硫醇(RSH)、二硫化物(RSSR)、硫醚(RSR)和噻吩(),其动力学模型反应网络如图1所示。图1FCC汽油加氢脱硫反应四集总反应网络Fig.1FourlumpreactionkineticsnetworkforFCCgasoli

参考文献

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