加氢石油树脂预加氢反应器是石油树脂加氢改性的核心前端单元，核心作用是对C5、C9馏分等石油树脂原料进行加氢精制，脱除原料中的硫、氮、氧等杂原子化合物，同时对原料中的部分不饱和烯烃进行选择性加氢饱和，为后续主加氢反应提供低杂质、低不饱和度的优质原料，其加氢转化率直接决定原料精制效果，进而影响后续主加氢催化剂的使用寿命、石油树脂产品的色度与纯度。预加氢反应器转化率优化模拟以工业实际反应体系为基础，依托反应动力学模型、流体力学模型、传质传热模型构建多场耦合模拟体系，通过数值模拟方法探究工艺操作参数、反应器结构参数、物料配比等因素对加氢转化率的影响规律，筛选适宜的操作窗口与结构设计方案，实现预加氢反应器硫/氮脱除转化率、烯烃加氢转化率的精准调控与最大化提升，同时兼顾反应选择性与能耗控制，为工业反应器的工艺优化、结构改造提供理论依据与数据支撑。
一、预加氢反应器转化率优化模拟的基础体系构建
预加氢反应器多为固定床滴流床反应器，原料与氢气呈气液两相逆流/并流接触，在负载型Ni-Mo/Al₂O₃、Co-Mo/Al₂O₃非贵金属催化剂床层发生加氢脱杂、烯烃加氢反应，反应体系具有气液固三相传质、非均相反应、局部传热差异等特征，其转化率优化模拟的基础是构建贴合工业实际的多维度模型体系，同时完成模型的参数标定与验证，确保模拟结果的准确性与可靠性。
核心反应动力学模型，是转化率模拟的核心基础，需针对预加氢过程的主反应（加氢脱硫HDS、加氢脱氮HDN、加氢脱氧HDO、烯烃加氢饱和）构建动力学方程。预加氢反应均为气液固三相非均相催化反应，遵循Langmuir-Hinshelwood动力学模型，以表观反应速率表征反应进程，分别建立硫醇、噻吩等硫化物，吡啶、喹啉等氮化物，酚类、羧酸等氧化物及单烯烃、二烯烃的加氢反应动力学方程，明确各反应的速率常数、活化能、吸附平衡常数等关键参数。模型参数通过工业装置的实际运行数据与实验室小试数据进行拟合标定，同时考虑反应过程中的催化剂表面吸附竞争（如碱性氮化物易在催化剂酸性中心强吸附，抑制硫化物加氢）、反应耦合效应（烯烃加氢为强放热反应，局部温升会促进杂原子化合物加氢，也可能引发烯烃过度聚合），对动力学方程进行修正，提升模型对实际反应的拟合度。
流体力学与传质传热模型，适配固定床滴流床反应器的流场特征，构建描述气液两相流动、传质、传热的数学模型。流体力学模型采用连续介质模型，结合多孔介质渗流理论，描述氢气与原料油在催化剂床层的流速分布、持液率分布、相含率分布，明确气液两相的接触状态（泡状流、膜状流、雾状流）对反应的影响，重点考虑床层内的返混、沟流、壁流现象，通过引入扩散系数、渗透系数修正流场分布，避免因流场不均导致的局部转化率差异。传质模型聚焦气液相间、液固相间的传质过程，计算氢气从气相主体到气液界面、再到液固界面的传质速率，及原料中杂原子化合物、烯烃从液相主体到催化剂表面的传质速率，明确传质阻力对反应转化率的影响（如氢气传质不足会导致局部缺氢，降低加氢转化率）。传热模型考虑反应过程中的热效应，烯烃加氢、加氢脱杂均为放热反应，需计算反应热的生成、传递与散失，描述反应器内的温度分布，引入床层导热系数、壁面给热系数等参数，修正局部温升与温降对反应速率的影响，避免因局部高温导致的副反应加剧与催化剂失活。
模型验证与网格划分，采用商业模拟软件（如Aspen Plus、COMSOL Multiphysics、ANSYS Fluent）完成模型的数值实现，对反应器进行三维/二维网格划分，在催化剂床层、反应器壁面等关键区域进行网格加密，确保模拟的计算精度。通过工业装置的实际数据（如进料组成、操作温度、操作压力、出料转化率）对模拟模型进行验证，对比模拟计算的转化率与工业实际转化率，当相对误差控制在5%以内时，认为模型可靠，可用于后续的转化率优化模拟；若误差超出范围，需重新修正动力学参数、流场参数，直至模型贴合工业实际。
二、基于工艺操作参数的转化率优化模拟
工艺操作参数是影响预加氢反应器转化率的核心可控因素，也是工业生产中极易调整的优化方向，转化率优化模拟重点探究反应温度、反应压力、氢油比、液时空速（LHSV） 四大关键操作参数对HDS、HDN、烯烃加氢转化率的影响规律，明确各参数的影响机制与交互作用，筛选出兼顾转化率、选择性与能耗的适宜操作区间。
反应温度的优化模拟，反应温度通过影响反应速率常数与催化剂活性，直接决定加氢反应速率。模拟结果表明，在低温区间（200~260℃），随温度升高，HDS、HDN、烯烃加氢转化率均显著提升，因温度升高使反应速率常数呈指数增长，催化剂活性增强，杂原子化合物与烯烃的加氢反应更充分；当温度超过260~280℃后，继续升温，烯烃加氢转化率仍小幅提升，但HDS、HDN转化率提升速率放缓，甚至出现局部下降，同时副反应（烯烃聚合、积炭前驱体生成）加剧，原因是高温下碱性氮化物的强吸附作用增强，抑制了硫化物在催化剂活性中心的吸附，且高温导致气液相间传质阻力增大，氢气传质不足。模拟需进一步明确不同原料组成下的合适温度，如高硫原料的合适温度略高于高氮原料，同时考虑反应器的轴向温度分布，通过模拟优化床层入口温度与段间取热方案，避免轴向温升过高导致的转化率下降与副反应加剧。
反应压力的优化模拟，反应压力主要通过提升氢气的气相分压，增强氢气的气液溶解量与传质速率，同时促进氢气在催化剂表面的吸附。模拟显示，在中低压区间（2~6MPa），随压力升高，HDS、HDN转化率呈线性提升，尤其是HDN反应，因加氢脱氮需经历多步加氢反应，对氢气分压更敏感，压力升高能显著促进氮杂环的开环加氢；烯烃加氢转化率也随压力升高而提升，但提升幅度逐渐趋缓。当压力超过6~8MPa后，转化率提升速率大幅下降，此时氢气的气液溶解量已达到饱和，继续升压无法显著提升传质速率，反而会增加装置的能耗与设备投资。模拟需结合原料的杂质含量，确定合适的反应压力，如高氮高硫原料需适当提高压力，而低杂质原料可降低压力，兼顾转化率与能耗。
氢油比的优化模拟，氢油比（氢气与原料油的体积比/摩尔比）决定了反应体系的氢气供给量，同时影响气液两相的流场分布与持液率。模拟结果表明，氢油比过低时，反应体系缺氢，氢气传质速率无法满足反应需求，HDS、HDN、烯烃加氢转化率均显著偏低，且局部缺氢会促进烯烃聚合与积炭生成；随氢油比增加，转化率快速提升，当氢油比达到300~500:1（体积比）时，转化率趋于稳定，此时氢气供给量能完全满足反应需求，且气液两相流场分布均匀，持液率适中，传质效率很高。继续增大氢油比，转化率无明显提升，反而会因氢气流量过大导致床层持液率降低，原料油与催化剂的接触时间缩短，同时增加氢气的循环能耗与分离成本。模拟还需考虑氢油比对反应器流场的影响，避免氢油比过高导致的液泛现象，确保气液两相充分接触。
液时空速的优化模拟，液时空速表征原料油在催化剂床层的停留时间，直接影响反应的进行程度。模拟显示，液时空速过高时，原料油与催化剂的接触时间过短，加氢反应未充分进行，HDS、HDN、烯烃加氢转化率均显著下降；随液时空速降低，停留时间延长，转化率逐渐提升，当液时空速降至1.0~2.0h⁻¹时，转化率趋于平稳，此时原料中的杂原子化合物与烯烃已基本完成加氢反应。继续降低液时空速，转化率无明显提升，反而会导致反应器处理能力下降，且原料在床层内的停留时间过长，易引发烯烃过度加氢、聚合等副反应，增加催化剂积炭风险。模拟需结合工业装置的处理负荷，确定适宜的液时空速，在保证转化率的前提下，兼顾反应器的生产效率。
同时，通过多因素正交模拟，探究四大操作参数的交互作用对转化率的影响，如反应温度与压力的协同作用（高温需配合高压，才能抵消高温下的传质阻力）、氢油比与液时空速的匹配（高液时空速需配合更高的氢油比，保证氢气供给），最终构建操作参数的耦合优化模型，筛选出合适的操作窗口，如针对C9石油树脂预加氢，适宜的操作区间为反应温度240~260℃、反应压力4~6MPa、氢油比400~500:1、液时空速1.5~2.0h⁻¹，此时HDS转化率≥98%、HDN转化率≥95%、烯烃加氢转化率≥85%，且副反应得到有效抑制。
三、基于反应器结构参数的转化率优化模拟
反应器的结构参数直接影响气液两相的流场分布、传质效率与反应接触时间，是预加氢反应器工程改造的重要优化方向，转化率优化模拟针对反应器内径、催化剂床层高度、床层开孔率、分布器结构等关键结构参数进行模拟优化，通过改善反应器内的流场与传质条件，提升整体加氢转化率，解决因结构不合理导致的沟流、壁流、局部传质不足等问题。
反应器内径与床层高度的优化，反应器内径决定气液两相的流速与持液率，床层高度决定原料与催化剂的接触时间。模拟表明，内径过小会导致气液两相流速过高，持液率降低，气液接触不充分，传质效率下降，转化率偏低；内径过大则会导致壁流现象加剧，靠近反应器壁面的气液流速远高于床层中心，床层中心的原料停留时间过长，易引发副反应，而壁面的原料接触时间不足，转化率偏低。床层高度过低，原料与催化剂接触时间不足，转化率下降；床层高度过高，会增加床层压降，导致气液两相分布不均，同时增加设备投资与能耗。模拟需结合工业装置的处理负荷与操作参数，优化反应器的长径比，一般预加氢反应器的长径比控制在10~20:1，同时通过分段设计床层，设置段间分布器与取热装置，改善气液两相的重新分布与床层温度控制，提升整体转化率。
催化剂床层开孔率与填料优化，催化剂床层的开孔率影响气液两相的渗流特性与流场分布，开孔率过低会导致床层压降过大，气液流速不均，开孔率过高则会导致催化剂颗粒易流失，且气液两相停留时间过短。模拟通过优化床层的多孔介质参数，调整开孔率与孔隙率，使床层内的气液两相流速分布均匀，持液率适中，同时在床层底部与顶部设置惰性填料层（如瓷球），防止催化剂颗粒流失，改善气液两相的初始分布与最终分离。对于存在严重沟流的床层，模拟可通过优化催化剂的粒径分布（采用多级粒径催化剂混合装填），填充床层空隙，减少沟流通道，改善流场均匀性，提升传质效率与转化率。
分布器结构的优化，气液分布器是改善气液两相初始分布的核心部件，其结构直接决定床层入口处的气液分布均匀性，主流分布器类型为泡罩式、筛板式、喷射式。模拟对比不同分布器结构的流场分布效果，结果表明，泡罩式分布器的气液分布均匀性极好，但压降较大；筛板式分布器压降较小，但易堵塞，气液分布均匀性略差；喷射式分布器适用于大处理量装置，气液混合效果好，但分布均匀性一般。模拟针对工业装置的处理负荷与气液比，优化分布器的开孔大小、开孔数量、布液方式，如增加分布器的开孔数量，减小开孔直径，采用环形布液与径向布气结合的方式，使气液两相在反应器横截面上均匀分布，消除局部死区与沟流，提升床层整体的传质效率与转化率。同时，模拟优化段间分布器的结构，使气液两相在床层分段处实现重新分布，解决因床层压降导致的下游流场不均问题，保证全床层的转化率一致性。
四、基于原料预处理与物料配比的转化率优化模拟
原料的组成特性与物料配比是影响预加氢转化率的基础因素，原料中的重质低聚物、固体颗粒、高浓度杂原子化合物会加剧催化剂吸附竞争与积炭，降低加氢转化率，而氢气的纯度、原料的预热温度也会影响反应进程，转化率优化模拟通过探究原料预处理方式、氢气纯度、原料预热温度等因素的影响，从源头优化反应体系，提升预加氢转化率。
原料预处理的优化模拟，针对原料中含有的重质低聚物、固体颗粒、胶质等杂质，模拟对比精密过滤、减压蒸馏、溶剂萃取等预处理方式对原料组成的改善效果，及后续预加氢转化率的变化。模拟结果表明，原料经精密过滤（过滤精度≤5μm）脱除固体颗粒，再经减压蒸馏切割脱除重质低聚物后，原料的轻组分含量提升，杂质与催化剂的接触吸附减少，HDS、HDN转化率可提升3%~5%；同时，脱除重质低聚物后，原料的黏度降低，气液相间的传质阻力减小，氢气的溶解与传质效率提升，进一步促进加氢反应。对于高胶质原料，模拟表明采用溶剂萃取脱除胶质后，可有效避免胶质在催化剂表面的吸附积炭，维持催化剂的活性，延长催化剂使用寿命的同时，保证加氢转化率的稳定性。
氢气纯度与氢源配比的优化，氢气中的杂质（如CO、CO₂、H₂S、N₂）会抑制催化剂活性，降低加氢转化率，如CO、CO₂会与催化剂活性组分发生配位结合，占据活性中心，H₂S会导致催化剂硫中毒。模拟表明，氢气纯度从95%提升至99.9%时，HDS、HDN转化率可提升2%~4%，因杂质含量降低，催化剂活性中心的有效吸附位点增加；当氢气纯度超过99.9%后，转化率提升幅度趋缓，继续提升氢气纯度会增加氢气精制的成本。模拟同时优化氢源配比，采用新鲜氢与循环氢混合的方式，控制循环氢中的H₂S含量（≤10μg/g），避免循环氢中高浓度H₂S抑制加氢脱硫反应，同时保证氢气的供给量，兼顾转化率与氢气利用效率。
原料预热温度的优化，原料预热温度影响原料的黏度、氢气的气液溶解量与反应的初始速率。模拟表明，原料预热温度过低，原料黏度大，氢气的溶解量少，气液相间传质阻力大，反应初始速率低，床层入口处的转化率偏低；随预热温度升高，原料黏度降低，氢气溶解量增加，传质效率提升，床层入口处的转化率显著提升；当预热温度超过180~200℃后，继续升温会导致原料中的部分烯烃在预热过程中发生聚合，生成的聚合物在催化剂表面沉积，堵塞孔道，降低后续床层的转化率。模拟确定适宜的原料预热温度为160~180℃，此时原料黏度适中，氢气溶解量充足，且无明显烯烃聚合现象，能有效提升床层整体的加氢转化率。
五、模拟结果的工业验证与应用拓展
加氢石油树脂预加氢反应器转化率优化模拟的最终目标是指导工业生产，因此需将模拟得到的至优操作参数、结构参数、原料预处理方案进行工业小试与中试验证，通过工业装置的改造与试运行，对比改造前后的加氢转化率、产品质量、能耗等指标，验证模拟结果的实用性与可靠性。
工业验证，选取工业预加氢反应器为试点，按照模拟优化的至优操作窗口调整工艺参数（如将反应温度调整为250℃、压力5MPa、氢油比450:1、液时空速1.8h⁻¹），同时对反应器的分布器进行改造，优化催化剂床层的装填方式。工业试运行结果表明，改造后HDS转化率从92%提升至98.5%，HDN转化率从88%提升至96%，烯烃加氢转化率从80%提升至87%，原料中的杂原子含量降至10μg/g以下，烯烃不饱和度显著降低，为后续主加氢反应提供了优质原料，同时主加氢催化剂的床层温升趋于平稳，使用寿命延长30%以上，石油树脂产品的色度从APHA 200降至APHA 80以下，纯度显著提升。
应用拓展，将转化率优化模拟模型与工业装置的DCS控制系统结合，构建在线优化控制系统，通过实时采集反应器的进料组成、操作温度、压力、氢油比等数据，利用模拟模型实时计算合适的操作参数，实现对反应器的在线调控，确保反应器在原料组成、处理负荷波动时，仍能维持较高的加氢转化率。同时，将模拟模型应用于新型预加氢反应器的设计，通过模拟优化反应器的结构与操作参数，实现反应器的大型化、高效化设计，降低设备投资与能耗。此外，模拟模型还可用于催化剂的筛选与改性，通过模拟不同催化剂的活性中心分布、孔结构参数对加氢转化率的影响，为催化剂的研发与改性提供理论指导。
加氢石油树脂预加氢反应器转化率优化模拟以多场耦合的数学模型为核心，通过构建反应动力学、流体力学、传质传热相融合的模拟体系，实现了对工艺操作参数、反应器结构参数、原料预处理方式等多因素的优化探究，明确了各因素对加氢脱杂、烯烃加氢转化率的影响规律与交互作用，筛选出了兼顾转化率、选择性、能耗的至优优化方案。模拟结果表明，工艺操作参数的优化是直接、有效的转化率提升方式，通过优化反应温度、压力、氢油比、液时空速的耦合区间，可显著提升加氢转化率；反应器结构参数的优化则通过改善气液两相的流场分布与传质效率，解决了工业反应器中沟流、壁流、局部传质不足等问题，实现了全床层转化率的均匀提升；原料预处理的优化从源头降低了杂质对催化剂的抑制作用，保证了转化率的稳定性与催化剂的使用寿命。
经工业验证，优化模拟得到的方案能有效提升预加氢反应器的加氢转化率，大幅降低原料中的杂原子含量与不饱和度，为后续主加氢反应提供优质原料，同时延长主加氢催化剂的使用寿命，提升石油树脂产品的品质。该模拟方法突破了传统工业优化的试错法局限，大幅降低了优化成本与周期，为加氢石油树脂预加氢反应器的工艺优化、结构改造、新型设备设计提供了科学的理论依据与数据支撑。未来，随着模拟技术的发展，可进一步引入催化剂失活动力学与模拟模型耦合，实现转化率与催化剂使用寿命的协同优化，同时结合人工智能算法，构建自适应的转化率优化模拟模型，提升模型对复杂反应体系的适配性与预测精度，推动加氢石油树脂行业的智能化、高效化发展。
本文来源：河南向荣石油化工有限公司 http://www.upresinchem.com/