燃料乙醇合成及应用过程热力学研究

【摘要】燃料乙醇是作为一种优质的液体燃料，它具有灰份低、硫份低等特点，且可以提供与汽油相当的化学能，被认为是一种很有应用潜力的能源替代品。二甲醚与合成气制乙醇是目前合成乙醇的一种新途径，该过程中二甲醚先经过羰基化形成醋酸甲酯，后者再加氢生成乙醇。对其进行系统的热力学分析可以了解这一合成过程的反应特性，有助于催化剂的筛选、工况条件的优化、反应器设计等相关工艺流程的改进。本文首先通过Benson基团贡献法、Rihani-Doraiswamy法对反应中各物质的标准生成焓、标准熵与摩尔热容进行了估算。在298.15～1000K、1～3MPa范围内计算了二甲醚与合成气制乙醇（二甲醚羰基化反应、醋酸甲酯加氢反应以及二者组成的总反应）过程中的化学反应的平衡常数、反应焓变、反应熵变和反应吉布斯自由能变。在此基础上，详细考察了温度、压力和合成气组成对于乙醇合成过程中的平衡转化率、平衡产率以及平衡尾气组成的影响，同时考察了两个反应之间的协同效应。接着对于该乙醇合成过程的热效应进行了系统的计算、分析。最后在实验的基础上对不同组分乙醇汽油的饱和蒸汽压进行了模拟计算，为乙醇汽油的进一步推广提供一定的理论支持。结果表明：对于二甲醚羰基化反应，在298.15K～573.15K、1～3MPa条件下DME的转化率几乎都达到100%。随着原料气中CO浓度的增加，DME的转化率也不断增加，当CO浓度达到0.5时，DME的转化率达到99.98%。在CO浓度为0～0.35内CO转化率几乎为100%，当CO浓度大于0.35时随着CO浓度的增加，其转化率一直呈降低趋势；对于醋酸甲酯加氢反应，298.15～493.15K、1～3MPa条件下MA的转化率达到了90%以上。随着H2浓度的增加，乙醇的收率一直呈上升趋势；对于乙醇合成的总反应，由于两反应间的协同效应，总反应体系中MA平衡转化率较之其单独进行时有大幅度的提高。当原料气中CO浓度上升到33.3%时，平衡尾气中的甲醇、乙醇、醋酸甲酯的平衡组成达到最大值，当原料气中H2浓度为39.4%时甲醇与乙醇的平衡组成达到最大值。二甲醚与合成气制乙醇过程为放热反应。在温度为573.15K时，二甲醚羰基化反应放出的热约占二甲醚燃烧热的24%，在CO浓度为0.33时，醋酸甲酯加氢反应放出的热约占二甲醚燃烧热的12%。通过雷德饱和蒸汽压测定法得到不同组分乙醇汽油的饱和蒸汽压，并在此基础上运用威尔逊方程对其模拟计算，得到在整个乙醇汽油组分中的饱和蒸汽压。
【作者】薛晓军；
【导师】贾广信；吴耀曲；
【作者基本信息】中北大学，化学工程，2014，硕士
【关键词】二甲醚；醋酸甲酯；乙醇；热力学分析；协同效应；热效应；饱和蒸汽压；

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