甲醇制丙烯（MTP）固定床反应器的多尺度模拟

【摘要】甲醇制丙烯(MTP)过程是近年来国内研究的热点,MTP固定床反应器的模拟对于深化过程认识、开发自主创新技术具有重要价值。模拟的难点在于多尺度过程的耦合：MTP反应动力学极为复杂,催化剂颗粒的模拟与反应器床层的模拟相互耦合,难以分割；同时,反应器进料采用的是循环物料与甲醇的混合物,进料与出料组成相互联系,难以事先确定。因此,从催化剂颗粒、反应器床层到循环流股都耦合在一起,需要开发专门的算法来进行反应器模拟。本文主要研究内容如下：1.针对MTP这一复杂反应体系,建立了床层颗粒-耦合计算的数学模型,采用COMSOL软件,同时计算各组分在颗粒与床层中的质量传递、热量传递、化学反应等多物理场。通过颗粒模拟给出催化剂内部的反应速率,用于床层模型中的颗粒反应动力学计算；同时,床层模拟给出的浓度与温度分布也为不同位置的催化剂颗粒计算提供了边界条件和外部环境。二者结合就给出了固定床反应器的精细模拟。2.采用文献中基于实验提出的动力学模型和本文开发的多尺度耦合算法,进行了工业固定床反应器的精细模拟,模拟结果与工业反应器设计数据进行了比较,根据工业数据对反应动力学速率常数进行了修正,获得了与工业结果相符的新的反应动力学,模拟结果与工业反应器出口数据的相对误差在6%以内。3.采用修正的动力学模拟Lurgi固定床反应器,详细给出了六段床层中各组分的浓度分布、温度分布以及各组分的转化率与选择性分布。考察了气固接触时间与颗粒尺寸两个因素对反应过程的影响,结果表明：MTP生成丙烯的主反应是个包含多个可逆反应步骤的快反应过程,而生成烷烃和芳烃的副反应大都是不可逆的慢反应过程,因此,缩短气固相接触时间可以提高丙烯选择性；同时,当丙烯生成反应占优势时,例如进料第一段床层的情况,减小催化剂颗粒粒径也可以显著提高丙烯选择性。
【作者】肖瑶；
【导师】李希；
【作者基本信息】浙江大学，化学工程，2014，硕士
【关键词】甲醇制丙烯(MTP)；固定床反应器；多尺度模型；颗粒；

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