《催化劑顆粒氣固流化磨損機理與磨損動力學研究》是依託東南大學，由吳東方擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：催化劑顆粒氣固流化磨損機理與磨損動力學研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：吳東方
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
顆粒磨損是流化床鍋爐吸附劑和催化裂化（FCC）等工業流化催化劑普遍面臨的一個重要問題，也是決定流化床系統操作成本的因素之一。目前我國已自主開發了大量流化催化劑品種，它們的催化活性均滿足了過程需要，但是關於顆粒流化磨損的研究尚十分薄弱，特別是關於流化磨損的基礎理論認識非常缺乏。本項目擬以石油加工工業中用量較大且磨損問題尤為突出的FCC催化劑為主要研究對象，採用理論分析、實驗研究以及數值模擬相結合的方法，系統研究顆粒的巨觀流化磨損過程和微觀流化磨損的產生、發展和形式，揭示流化參數、流化床結構參數與顆粒流化磨損的關係，揭示顆粒性質對其耐磨性能的影響機制，闡明流化磨損微觀機理，建立流化磨損動力學模型等。項目首次提出流化磨損的數值模擬分析，成果理論創新主要表現在對顆粒流化磨損過程形成科學認識，以便為催化劑和吸附劑的製備與改性最佳化提供理論依據，為新型流化床反應器設計與流化參數最佳化提供可靠指導。
結題摘要
顆粒磨損是催化裂化等流化床催化劑普遍面臨的一個問題，是決定工業流化床系統可靠運行與操作成本的重要因素之一。本項目針對這一問題，開展了實驗與理論研究，主要包括：實驗考察了多個工業流化床催化劑的流化磨損行為，考察了流化氣速、流化時間、顆粒性質等對流化磨損的影響，並理論分析了巨觀流化磨損過程以及微觀磨損的產生、發展和形式，獲得了基礎性認識，尤其在如下幾方面取得了較多新進展。 流化磨損源：研究發現，流化床中主要存在兩種磨損源，即噴嘴區磨損和鼓泡區磨損，並理論推導出了各磨損源磨損速率及總磨損速率與流化氣速之間的數學關係式。結果表明，噴嘴區磨損貢獻率隨著流化氣速的增大而增大，尤其在高氣速下，噴嘴區磨損是流化磨損的主要來源。流化磨損機理：研究發現，流化磨損表現為顆粒體相斷裂和表面剝層兩種形式的混合磨損機制；並且，流化磨損可分為前期非穩態磨損階段和隨後的穩態磨損階段。在非穩態磨損階段，不但有表面剝層磨損，而且還有顯著的顆粒體相斷裂。然而，進入穩態磨損階段後，顆粒體相斷裂現象消失，僅存表面剝層磨損。流化磨損指標表達：提出比磨損速率指標。在非穩態磨損階段，比磨損速率快速下降，然後越來越慢，當磨損進入到穩態階段，顆粒粗糙度、硬度等表面特徵恆定，因而比磨損速率趨向於一個穩定值。與傳統磨損速率相比，比磨損速率能精確反映流化磨損的本質屬性，是一個更加適合的磨損動力學物理量。流化磨損動力學模型：實驗與理論分析表明，顆粒流化磨損行為符合指數衰減模型，即比磨損速率隨磨損進行按指數衰減方程而變化。流化磨損顆粒尺寸效應：顆粒磨損行為與其粒徑密切相關。研究發現，不同粒徑範圍的顆粒抗磨損性能顯著不同，小顆粒磨損最嚴重，而大顆粒則具有較好的抗磨損性能；並且，不同粒徑範圍的顆粒之間存在細微的相互作用，抑制了全粒徑樣品的磨損。此外，不同粒徑範圍的顆粒的磨損行為，可通過線性組合，預測全粒徑樣品的磨損行為。顆粒性質影響機制：除粒徑外，顆粒流化磨損行為還與多種顆粒性質因素有關。研究發現，顆粒納米硬度、彈性模量和強度與顆粒抗磨損性能正相關，因而它們是催化劑抗磨損性能的決定性因素。 項目研究成果主要表現在顆粒流化磨損方面的理論創新，在一定程度上為流化催化劑的製備與改性最佳化提供了理論依據，為流化床反應器設計與流化參數最佳化提供了可靠指導，並對許多其它顆粒流磨損問題有借鑑意義。
