生物質(zhì)乙醇制乙烯固定床催化反應(yīng)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(shù)之一，在“石油危機(jī)”日益嚴(yán)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(jī)，找到了一種可再生的生物能源，而且對(duì)降低CO2排放，減緩溫室效應(yīng)，改善環(huán)境有積極的作用。本文通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬對(duì)固定床內(nèi)的生物乙醇催化脫水反應(yīng)進(jìn)行了研究，旨在獲得生物乙醇催化脫水反應(yīng)的相關(guān)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(dòng)

2、力學(xué)反應(yīng)模型，為今后的工業(yè)應(yīng)用提供設(shè)計(jì)和放大的依據(jù)。 在一臺(tái)小型固定床微反應(yīng)器內(nèi)，選用由南京工業(yè)大學(xué)制備的經(jīng)稀土金屬鑭改性的3％La/HZSM-5分子篩催化劑，針對(duì)濃度在50％左右的乙醇溶液(接近于工業(yè)生成過程中經(jīng)初蒸餾后生物乙醇的濃度)，進(jìn)行生物乙醇催化脫水的試驗(yàn)研究?？疾炝诉M(jìn)氣質(zhì)量空速和催化劑的粒徑大小對(duì)生物乙醇脫水反應(yīng)的影響，確定了生物乙醇脫水反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)控制區(qū)域，在反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)區(qū)域內(nèi)考察了反應(yīng)溫度和混合蒸汽中乙醇蒸汽分壓

3、對(duì)乙醇的反應(yīng)速率、乙烯和乙醚的生成速率的影響，結(jié)果表明：隨著溫度的升高，乙醇的反應(yīng)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(dá)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(yīng)溫度下，參加反應(yīng)的乙醇蒸汽分壓越大，乙醇的反應(yīng)速率和乙烯的生成速率越高。 在此基礎(chǔ)上，對(duì)生物乙醇催化脫水的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了初步的分析和探討，認(rèn)為生物乙醇催化脫水屬于平行反應(yīng)，其反應(yīng)機(jī)理模型是吸附于催化劑上的2個(gè)鄰近乙醇

4、分子之間進(jìn)行的L-H模型。從而提出了生物乙醇催化脫水反應(yīng)在動(dòng)力學(xué)控制區(qū)的本征動(dòng)力學(xué)模型，擬合并求解出各反應(yīng)產(chǎn)物的反應(yīng)速率方程參數(shù)；模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合很好，擬合曲線的相關(guān)度達(dá)98％以上，平均相對(duì)誤差9.8％。 建立了生物乙醇催化脫水的氣-固流動(dòng)三維數(shù)值模型，固相采用多孔介質(zhì)模型，模擬了生物質(zhì)乙醇制乙烯催化脫水反應(yīng)器內(nèi)的氣固流動(dòng)。為簡化固定床反應(yīng)器模型，討論了電加熱棒布置對(duì)固定床反應(yīng)器內(nèi)溫度分布的影響：由于反應(yīng)器的內(nèi)徑較小，所以

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

6、(UDF)導(dǎo)入，建立了生物乙醇催化脫水反應(yīng)的氣固流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)的耦合模型。在化學(xué)反應(yīng)模塊中所涉及的反應(yīng)化學(xué)包括：乙醇脫水生成乙烯的反應(yīng)、乙醇脫水生成乙醚的反應(yīng)等。 采用多孔介質(zhì)模型模擬了反應(yīng)器內(nèi)的壓力分布以及氣體組份分布。計(jì)算結(jié)果表明，乙醇脫水反應(yīng)在與催化劑接觸的界面上開始，隨時(shí)間的延長不斷地反應(yīng)生成乙烯、乙醚等產(chǎn)物。進(jìn)行了變工況計(jì)算，考察了幾種重要的操作參數(shù)如反應(yīng)溫度、進(jìn)氣流量和乙醇濃度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物分布的影響，模擬結(jié)果表明，進(jìn)氣