生物质乙醇制乙烯固定床催化反应器数值模拟

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1、摘要生物乙醇催化脱水制乙烯作为一种替代石油乙烯的重要技术之一，在“石油危机”日益严重的今天发挥越来越重要的作用。生物乙醇催化脱水制乙烯的重要性不仅在于解决了由于传统化石燃料的逐渐减少所带来的能源危机，找到了一种可再生的生物能源，而且对降低C02排放，减缓温室效应，改善环境有积极的作用。本文通过试验研究和数值模拟对固定床内的生物乙醇催化脱水反应进行了研究，旨在获得生物乙醇催化脱水反应的相关规律，确定影响乙烯收率的主要影响因素，建立乙醇脱水的动力学反应模型，为今后的工业应用提供设计和放大的依据。在一台小型固定床微反应器内，选用由南京工业大学制备的经稀土金属镧改性的3％L

2、a／HZSM．5分子筛催化剂，针对浓度在50％左右的乙醇溶液(接近于工业生成过程中经初蒸馏后生物乙醇的浓度)，进行生物乙醇催化脱水的试验研究。考察了进气质量空速和催化剂的粒径大小对生物乙醇脱水反应的影响，确定了生物乙醇脱水反应的动力学控制区域，在反应的动力学区域内考察了反应温度和混合蒸汽中乙醇蒸汽分压对乙醇的反应速率、乙烯和乙醚的生成速率的影响，结果表明：随着温度的升高，乙醇的反应速率和乙烯的生成速率逐渐增大，而乙醚的生成速率则先增大后减小，在240℃左右达到最大值，因此温度的升高有利于乙烯收率的提高；在同一反应温度下，参加反应的乙醇蒸汽分压越大，乙醇的反应速率和乙

3、烯的生成速率越高。在此基础上，对生物乙醇催化脱水的反应机理进行了初步的分析和探讨，认为生物乙醇催化脱水属于平行反应，其反应机理模型是吸附于催化剂上的2个邻近乙醇分子之间进行的L-H模型。从而提出了生物乙醇催化脱水反应在动力学控制区的本征动力学模型，拟合并求解出各反应产物的反应速率方程参数；模型计算值与实验值吻合很好，拟合曲线的相关度达98％以上，平均相对误差9．8％。建立了生物乙醇催化脱水的气．固流动三维数值模型，固相采用多孔介质模型，模拟了生物质乙醇制乙烯催化脱水反应器内的气固流动。为简化固定床反应器模型，讨论了电加热棒布置对固定床反应器内温度分布的影响：由于反应

4、器的内径较小，所以反应器径向和周向的温度分布均匀，电加热棒对反应器的影响可以忽略。从而确定了反应所应处的区域：反应器中间稍靠下的位置，得到了简化的微反应器建模区域，分为填充床料段和催化反应段两部分：长：l=150mm，内径O=12mm。针对简化的固定床反应器模型，进行网格的划分、边界条件以及物料属性的设置。对反应器内的传热和流动特性进行了研究，获得了试验研究的条件下反应器内的温度场和流场的分布情况。将实验获得的脱水动力学模型，通过用户自定义模块(IJl)F)导入，建立了生物乙醇催化脱水反应的气固流动和化学反应的耦合模型。在化学反应模块中所涉及的反应化学包括：乙醇脱水

5、生成乙烯的反应、乙醇脱水生成乙醚的反应等。采用多孔介质模型模拟了反应器内的压力分布以及气体组份分布。计算结果表明，乙醇脱水反应在与催化剂接触的界面上开始，随时间的延长不断地反应生成乙烯、乙醚等产物。进行了变工况计算，考察了几种重要的操作参数如反应温度、进气流量和乙醇浓度对反应产物分布的影响，模拟结果表明，进气流量越大，乙醇的浓度越高，反应温度越高，则乙醇的摩尔浓度变化速率就越快，。同时反应器内乙烯的生成速率也就越快。通过模拟值与试验值的比较可知：试验值与模拟值之间吻合较好，大部分的误差在20％以内，因此所建立的动力学模型和多孔介质模型基本能够正确反映乙东南大学硕士学

6、位论文醇催化脱水反应的规律。关键词：生物乙醇；HZSM．5：催化脱水；动力学模型；多孔介质模型；数值模拟ⅡAbstractThetechnologyofbio-ethanolcatalyticdehydrationtoethylene，whichasasubstitutetechnologyofoilbasedethylene，playsamoreandmoreimportantroleinthe”oilcrisis”．Theimportanceofbio-ethanolcatalyticdehydrationtoethylenenotonlyliesinfmdin

7、garenewablebio-energyandslowingthe‘‘energycrisis”broughtaboutbythegradualreductionoftraditionalfossilfuels，butalsoliesinthebenefitstoenvironmentimprovementsuchasreducingtheemissionofC02andslowingdownthegreenhouseeffect．Thecatalyticdehydrationreactionofbio-ethanoltoethyleneinafixed-be