多段流化床技术用于多相催化与纳米材料合成过程

简要回顾了清华大学十余年来开发多段流化床技术与工业应用历程,包括利用冷态实验确定多段流化床的操作域,不同段中催化剂密相高度随气速变化以及与外置溢流管尺寸的关系,并且将其运用于硝基苯气相加氢制备苯胺、间苯二腈氨氧化、甲醇合成、乙炔法制备氯乙烯以及化学气相沉积法制备碳纳米管过程,并实现了工业化应用。多段流化床结构灵活,可以根据不同过程的工艺要求(如对变温或变气氛及高转化率与长催化剂寿命的要求等)进行调节。相关技术开发拓展了流化床的应用领域。

多段流化床强化甲醇或烷烃芳构化研究进展

针对甲醇芳构化过程中,金属-分子筛催化剂上ZSM-5的择型效应对C2~C5烃不起作用,导致不易转化的烷烃副产物大量生成,单程芳烃收率下降的现状,综述了甲醇芳构化与烷烃芳构化的催化机制与过程特性、多段流化床的结构及其应用,以及多段变温流化床在甲醇芳构化与烷烃芳构化过程的研究进展。在流化床不同的轴向位置,根据起始原料与中间产物的活性,可以采用不同的温度来促进甲醇与烷烃中间体的转化。该技术可有效提高单程芳烃收率,降低后续分离成本和能耗。同时,其中涉及的烷烃芳构化也可能发展成独立的技术,具有广阔的前景。

多段分级转化流化床提升管速度场的研究

针对流化床煤气化过程中需要长气固接触时间和高固体浓度,开发了耦合灰熔聚流化床和提升管的多段分级转化流化床。为了研究多段分级转化流化床提升管中局部颗粒速度的径向、轴向分布,在不同的操作条件下,采用PV-6型颗粒速度测量仪在冷态实验装置中系统测定提升管内局部颗粒速度。实验结果表明:提升管中任何径向、轴向位置的颗粒速度随着操作气速的增大而增大,随循环量的增加而减小。操作条件对中心区颗粒速度变化的影响明显高于边壁区。颗粒的加速首先发生在提升管中心区域,然后向边壁区域扩展。颗粒速度径向分布的不均匀性沿轴向逐渐增大,并且受操作气速影响比较大。

多段分级转化流化床提升管局部固体体积分数分布

在射流流化床与提升管耦合的多段分级转化流化床冷态实验装置上,采用PC6D型颗粒体积分数测量仪,系统研究了提升管中局部固体体积分数径向分布及其轴向发展规律。结果表明:固体体积分数的径向分布为中心区固体体积分数较稀、分布均匀,边壁区为体积分数高、分布陡峭的环核流动结构。提升管中径向颗粒体积分数的轴向发展为:提升管底部,中心区和边壁区固体体积分数随轴向高度的增加而减小,边壁区固体体积分数的减小趋势明显高于中心区;提升管的发展段,边壁区固体体积分数随高度的增加而减小,而中心区固体体积分数几乎不变。提升管所有截面上各径向位置的固体体积分数随表观气速ur,g的减小或固体循环量G S的增加而增大,边壁区固体体积分数受操作条件影响的敏感程度明显高于中心区和过渡区。拟合得到了升管不同径向区域内固体体积分数与截面平均固体体积分数的关系式,误差分析表明该表达式的计算值和实验值吻合较好。

多段分级转化流化床提升管中颗粒聚团特性的研究

采用PC6D型颗粒浓度测量仪,在多段分级转化流化床冷态实验装置上,测量了提升管中局部固体浓度,对颗粒聚团特性进行了实验研究。结果表明:径向上絮状物的时间分率Fc和絮状物内的颗粒浓度εsc在床层中心区(r/R<0.6)较低,而在边壁区(r/R>0.8)相对较高。提升管所有截面上各径向位置的Fc和εsc均随表观气速urg的减小和/或固体循环量Gs的增加而增加,轴向上操作条件对底部加速段Fc、εsc的影响明显高于对上部充分发展段Fc、εsc的影响;径向上操作条件对中心区Fc、εsc的影响显著高于对边壁区Fc、εsc的影响。在絮状物颗粒浓度0到εsmf范围内,得出絮状物内的颗粒浓度εsc与该处相应的局部颗粒浓度εs的变化关系式为εsc=3.33εs0.8。

多段分级转化流化床颗粒浓度的数值模拟

多段分级转化流化床煤气化反应器是由鼓泡射流流化床和快速流化床耦合而成的新型气化炉,采用欧拉双流体模型对其气固两相流动行为进行了数值模拟。模拟结果表明,两种流型的耦合,并非两种流态形式的简单叠加,回料口下段床内轴向浓度呈"C"型分布,上段轴向浓度呈指数分布,与实验结果较接近。同时考察了局部位置的颗粒浓度分布及其随操作条件的变化情况,表明快速床稀相段边壁区域颗粒浓度波动较中心强烈,且对操作条件的变化敏感,回料口附近的偏流现象以及过渡渐缩段的颗粒弹溅现象均与实验观察一致。研究得到的规律可指导多段分级转化流化床的设计和优化。

加压多段循环流化床固体颗粒浓度分布特性

针对加压煤气化的发展需要和加压多段循环流化床气化炉的研发,建立了一套加压多段循环流化床冷态试验装置.研究了0. 1,0. 3,0. 5 MPa压力下,平均粒径为400μm、密度为1 020kg/m^3的固体颗粒在循环流化床轴向和径向颗粒浓度的分布特性.实验结果表明,多段循环流化床轴向颗粒体积分数分布呈ε形分布特点,即颗粒较浓区域集中在射流流化床底部浓相段和提升管进出口位置.提升管轴向颗粒浓度分布呈现C形分布,且表观颗粒浓度随固体循环通量的增加而增加,随着表观气速的增大而减小.在相同固气比的条件下,增加系统压力可以显著提高管内颗粒浓度.颗粒浓度径向分布呈现中心区域稀,边壁区域浓的环核流动结构.增大表观气速或减小固体循环通量可以使颗粒径向分布更加均匀.另外,颗粒浓度分布在边壁区比中心区对表观气速和固体循环通量的变化更加敏感.

KAUST大学和Aramco公司合作开发原油制化学品技术

阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)与阿美石油公司(Aramco)合作,验证了一种同时执行多个步骤的技术,可实现原油在单一反应器系统中稳定地转化为轻烯烃。该一步法C2C(原油制化学品)技术的初步研究结果发表在《Nature Catalysis》杂志上。反应器由多段流化床构成,催化剂可进行原位汽提和再生,催化剂中加入的碳化硅使其具有更好的物理、机械和传热性能,未经处理的阿拉伯轻质原油稳定转化为轻烯烃(C_(2)~C_(4)烯烃)的单程质量收率超过30%,而干气产率很低。KAUST大学和Aramco公司将继续推进这项技术的研发,作为传统炼油途径潜在的替代技术。