生物質乙醇制乙烯固定床催化反應器數(shù)值模擬.pdf

1、生物乙醇催化脫水制乙烯作為一種替代石油乙烯的重要技術之一，在“石油危機”日益嚴重的今天發(fā)揮越來越重要的作用。生物乙醇催化脫水制乙烯的重要性不僅在于解決了由于傳統(tǒng)化石燃料的逐漸減少所帶來的能源危機，找到了一種可再生的生物能源，而且對降低CO2排放，減緩溫室效應，改善環(huán)境有積極的作用。本文通過試驗研究和數(shù)值模擬對固定床內的生物乙醇催化脫水反應進行了研究，旨在獲得生物乙醇催化脫水反應的相關規(guī)律，確定影響乙烯收率的主要影響因素，建立乙醇脫水的動

2、力學反應模型，為今后的工業(yè)應用提供設計和放大的依據(jù)。 在一臺小型固定床微反應器內，選用由南京工業(yè)大學制備的經稀土金屬鑭改性的3％La/HZSM-5分子篩催化劑，針對濃度在50％左右的乙醇溶液(接近于工業(yè)生成過程中經初蒸餾后生物乙醇的濃度)，進行生物乙醇催化脫水的試驗研究?？疾炝诉M氣質量空速和催化劑的粒徑大小對生物乙醇脫水反應的影響，確定了生物乙醇脫水反應的動力學控制區(qū)域，在反應的動力學區(qū)域內考察了反應溫度和混合蒸汽中乙醇蒸汽分壓

3、對乙醇的反應速率、乙烯和乙醚的生成速率的影響，結果表明：隨著溫度的升高，乙醇的反應速率和乙烯的生成速率逐漸增大，而乙醚的生成速率則先增大后減小，在240℃左右達到最大值，因此溫度的升高有利于乙烯收率的提高；在同一反應溫度下，參加反應的乙醇蒸汽分壓越大，乙醇的反應速率和乙烯的生成速率越高。 在此基礎上，對生物乙醇催化脫水的反應機理進行了初步的分析和探討，認為生物乙醇催化脫水屬于平行反應，其反應機理模型是吸附于催化劑上的2個鄰近乙醇

4、分子之間進行的L-H模型。從而提出了生物乙醇催化脫水反應在動力學控制區(qū)的本征動力學模型，擬合并求解出各反應產物的反應速率方程參數(shù)；模型計算值與實驗值吻合很好，擬合曲線的相關度達98％以上，平均相對誤差9.8％。 建立了生物乙醇催化脫水的氣-固流動三維數(shù)值模型，固相采用多孔介質模型，模擬了生物質乙醇制乙烯催化脫水反應器內的氣固流動。為簡化固定床反應器模型，討論了電加熱棒布置對固定床反應器內溫度分布的影響：由于反應器的內徑較小，所以

5、反應器徑向和周向的溫度分布均勻，電加熱棒對反應器的影響可以忽略。從而確定了反應所應處的區(qū)域：反應器中間稍靠下的位置，得到了簡化的微反應器建模區(qū)域，分為填充床料段和催化反應段兩部分：長：1=150mm，內徑φ＝12mm。 針對簡化的固定床反應器模型，進行網(wǎng)格的劃分、邊界條件以及物料屬性的設置。對反應器內的傳熱和流動特性進行了研究，獲得了試驗研究的條件下反應器內的溫度場和流場的分布情況。將實驗獲得的脫水動力學模型，通過用戶自定義模塊

6、(UDF)導入，建立了生物乙醇催化脫水反應的氣固流動和化學反應的耦合模型。在化學反應模塊中所涉及的反應化學包括：乙醇脫水生成乙烯的反應、乙醇脫水生成乙醚的反應等。 采用多孔介質模型模擬了反應器內的壓力分布以及氣體組份分布。計算結果表明，乙醇脫水反應在與催化劑接觸的界面上開始，隨時間的延長不斷地反應生成乙烯、乙醚等產物。進行了變工況計算，考察了幾種重要的操作參數(shù)如反應溫度、進氣流量和乙醇濃度對反應產物分布的影響，模擬結果表明，進氣