甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯反應(yīng)器的數(shù)值模擬研究.pdf

1、甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯工藝是最有希望工業(yè)化的甲烷直接轉(zhuǎn)化方法，但甲烷氧化偶聯(lián)反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，催化劑床層容易形成熱點(diǎn)，工業(yè)裝置的溫度難以控制。僅采用實(shí)驗(yàn)的方法實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器放大，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器開發(fā)成本高、周期長(zhǎng)。計(jì)算流體力學(xué)是在流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等多物理化學(xué)現(xiàn)象間的耦合作用，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)反應(yīng)器的特性，為反應(yīng)器的放大提供工藝數(shù)據(jù)，降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。
　　本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法，利用修改參數(shù)后的Stans

2、ch反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，首先建立了裝填Na2WO4-Mn/SiO2顆粒催化劑的OCM固定床反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)室裝置的計(jì)算模型，模擬了原料氣體流量為80ml/min常壓操作下顆粒固定床反應(yīng)器的反應(yīng)特性。通過對(duì)比顆粒催化劑固定床反應(yīng)器出口處CH4轉(zhuǎn)化率、C2H6、C2H4、CO2等產(chǎn)物選擇性的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值，可以發(fā)現(xiàn)，所有參數(shù)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值誤差范圍為±2％，二者吻合較好，模型可靠;通過分析反應(yīng)器的催化劑床層內(nèi)組分濃度、反應(yīng)溫度、側(cè)壁面熱通量、壓力、流

3、體密度和流速等參數(shù)分布表明:在催化劑床層的進(jìn)口附近，OCM反應(yīng)較快，該區(qū)域的溫度稍高于其它區(qū)域，包圍該區(qū)域的反應(yīng)器壁面放熱較多，熱通量最大值為17500W/m2;顆粒催化劑床層內(nèi)的OCM反應(yīng)為變?nèi)莘e反應(yīng)，并且生成物總摩爾數(shù)大于反應(yīng)物總摩爾數(shù)，導(dǎo)致流體速度沿流動(dòng)方向逐漸增加，密度逐漸減小。
　　然后，模擬了裝填Na3PO4-Mn/SiO2/堇菁石整體式催化劑固定床反應(yīng)器，采用與顆粒催化劑固定床反應(yīng)器計(jì)算結(jié)果類似的處理辦法，分析計(jì)算結(jié)

4、果。研究表明，反應(yīng)器出口處主要參數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差范圍為±4％，模型可靠;由于邊界層、化學(xué)反應(yīng)和整體式催化劑結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致催化劑床層內(nèi)的流速沿內(nèi)壁面法向方向先升高再降低。
　　裝填顆粒催化劑和整體式催化劑的兩段式固定床反應(yīng)器可以將這兩種催化劑的優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)。在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上，模擬研究了兩段式固定床反應(yīng)器的反應(yīng)特性，并考察了反應(yīng)溫度和床層高度對(duì)反應(yīng)器特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明:顆粒催化劑床層內(nèi)OCM反應(yīng)比整體式催化劑床層內(nèi)的劇烈;

5、與顆粒催化劑床層相比，整體式催化劑床層在耗氧量較小的情況下，可以有效地提高C2產(chǎn)物選擇性和收率;反應(yīng)溫度通過影響反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各步反應(yīng)的速率，進(jìn)而影響各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布，導(dǎo)致反應(yīng)溫度為800℃時(shí)，C2產(chǎn)物選擇性達(dá)到最優(yōu)值66.7％;當(dāng)整體式催化劑床層高度為50mm、位于上游的顆粒催化劑床層高度變化時(shí)，由于顆粒催化劑床層出口處各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異，改變了下游的整體式催化劑床層的進(jìn)口條件，最終導(dǎo)致C2收率在顆粒催化劑床層高度為10mm達(dá)到

6、最優(yōu)值21.8％。
　　由于兩段式固定床反應(yīng)器內(nèi)整體式催化劑床層內(nèi)氧氣分壓較低，降低了整體式催化劑的活性，導(dǎo)致整體式催化劑無法發(fā)揮其高C2選擇性的優(yōu)勢(shì)。在兩段式固定床反應(yīng)器的兩段床層之間補(bǔ)充氧氣，可以有效提高C2產(chǎn)物收率。本文在兩段式固定床反應(yīng)器模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)中間補(bǔ)氧的兩段式固定床反應(yīng)器進(jìn)行模擬研究，并考察了補(bǔ)氧量和反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)器特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明:對(duì)于不同補(bǔ)氧量下的P10M50固定床反應(yīng)器，補(bǔ)充的氧氣促進(jìn)了整體式催

7、化劑床層內(nèi)的OCM反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)器出口處的C2選擇性和收率隨補(bǔ)氧量的增加而逐漸升高;對(duì)于不同溫度下補(bǔ)氧量為15％的P10M50固定床反應(yīng)器，其整體式催化劑床層上的參數(shù)分布規(guī)律與無補(bǔ)氧的P10M50固定床反應(yīng)器內(nèi)整體式催化劑床層上的參數(shù)分布規(guī)律類似。
　　在上述模擬研究的基礎(chǔ)上，將兩段式固定床反應(yīng)器進(jìn)行放大，設(shè)計(jì)了乙烯產(chǎn)量為300ton/a的兩段式固定床反應(yīng)器的中試裝置，并采用與實(shí)驗(yàn)室小反應(yīng)器模擬中相同的數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行模擬，同時(shí)考

8、察了冷卻劑流量和冷卻劑進(jìn)口溫度對(duì)反應(yīng)器特性的影響。通過分析列管式固定床中試反應(yīng)器內(nèi)冷卻劑流速、溫度和反應(yīng)氣體的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及壁面熱通量、對(duì)流換熱系數(shù)等反應(yīng)器的特性參數(shù)的分布，得到如下結(jié)論:顆粒催化劑床層溫度是決定C2H6產(chǎn)量的主要因素，而整體式催化劑床層溫度是決定C2H4產(chǎn)量的主要因素;當(dāng)冷卻劑流量為453ton/h，冷卻劑進(jìn)口溫度為790℃，原料氣體流量為594Nm3/h，原料氣體進(jìn)口溫度為775℃，烷氧比為3時(shí)，所設(shè)計(jì)的反應(yīng)器滿足