无循环上流式柴油液相加氢工艺是一种符合低硫柴油生产标准的新生工艺,该工艺不仅能够有效降低柴油中的硫含量,满足油品质量升级需要,同时能够节省大量设备及操作费用,在石化炼制工业展现出巨大的发展潜力。该工艺的核心是以预饱和的柴油进料,并由柴油中的溶解氢提供反应所需的氢气,消耗的氢气则通过多点注氢的方式不断地进行补充。快速有效地供氢是此工艺的关键。本文以无循环上流式柴油液相加氢工艺所使用的固定床鼓泡反应器作为研究对象,一方面通过测定工业条件下氢气在直馏柴油中的饱和溶解度,为无循环上流式柴油液相加氢工艺技术参数的确定提供依据;另一方面,则通过冷模实验的方法对固定床鼓泡反应器内传质和混合情况进行研究;在此基础上,建立反应器模型,以指导注氢点的设计及反应器的工程化放大。论文主要研究内容和成果包括:(1)利用取样闪蒸的方法测定了工业条件下氢气在直馏柴油中的溶解度,重点考察了氢气溶解度随操作温度和压力的变化规律,并提出了氢气在直馏柴油中溶解度的计算模型,模型计算结果与实验值的平均相对偏差在10%以内。同时,利用Aspen plus软件建立了氢气溶解度模拟计算流程,考察了H2S、NH3、CH4等杂质气体对氢气溶解的影响。结果发现升高操作温度和压力均有利于提高氢气在直馏柴油中的溶解度。杂质气体的存在会不同程度的抑制氢气的溶解,其中CH4气体的抑制作用最强,NH3次之,H2S最弱。(2)利用溶氧电极法考察了固定床鼓泡反应器内的气液传质系数随表观气速、表观液速、填料直径等参数的变化规律。在实验条件下,提高表观气液速均会使得气液传质系数增大,且表观液速的影响更为显著。而随填料直径增大,气液传质系数则表现出先减小后增大的趋势。通过对实验数据的分析,回归得到气液传质系数kLa的经验关联式,公式预测值与实验值的相对偏差在±20%以内。(3)利用电解质示踪法考察了固定床鼓泡反应器内的液相宏观停留时间分布随表观气速、表观液速及填料直径等参数的变化规律。结果表明,平均停留时间随表观液速的增大而减小,随表观气速的增大则没有明显变化。当填料直径较小时,平均停留时间随填料直径的增大而减小;而当填料直径较大时,继续增大填料直径则对平均停留时间无显著影响。基于不同条件下的停留时间分布,采用轴向扩散模型对反应器内返混程度进行计算,结果显示返混程度随表观液速的增大而减小,随表观气速的增大而增大,且液速对返混程度的影响比气速更为显著;返混程度随填料直径的增大先减小后增大。通过对多组实验数据的回归分析,提出了 Pe准数与气液两相雷诺数及填料直径的经验关联式,公式预测值与实验值的相对偏差在±20%以内。(4)基于实验测得的氢气溶解度及气液传质系数与返混程度计算关联式,结合无循环上流式柴油液相加氢工艺的操作特性,建立了固定床鼓泡反应器的数学模型。经验算,脱硫效率、脱氮率、总氢耗等模型计算值与文献值符合较好,误差在5%以内。在此基础上,使用该模型分析了入口流股温度、液相空速及氢分压对脱硫效率和反应器进出口温差的影响。结果显示:升高入口流股温度和降低液相空速都会使得脱硫效率增大,且当氢油比≥100 Nm3·m-3,入口流股温度≥360℃,液相空速LHSV≤2.0h-1时,继续升高流股温度或降低液相空速并不会对脱硫效率产生明显影响。同时,升高入口流股温度或降低液相空速均会使得反应器进出口温升增大。提高氢分压对脱硫效率无显著影响,但却会使得反应器进出口温差增大。按照单段床层温差不超过12℃,反应器进出口温差不超过20℃的原则,用该模型对注氢点的设计方法进行了讨论:总氢油比一定时,单点注氢和多点注氢都能够降低床层温升,然而同时也会降低脱硫效率,因此注氢点的设置需要综合考虑脱硫效率和床层温升两个因素;在本文研究范围内,若要保证较高的脱硫效率,中间补偿氢气与柴油的比例应小于20Nm3·m-3,并且补氢位置应选在靠近床层底部的位置。