热等离子体裂解丙烷制乙炔数学模拟.pdf

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1、第32卷第4期2016年8月化学反应工程与工艺ChemicalReactionEngineeringandTechnologyVol32，N04Aug．2016文章编号：1001--7631(2016)04_．034l—_07热等离子体裂解丙烷制乙炔数学模拟苏宝根，吴剑骅，闻光东，马杰，房建成，邢华斌，任其龙浙江大学生物质4EJ-教育部重点实验室化学工程与生物工程学院，浙江杭州310027摘要：为了对反应器的停留时间进行合理优化，将旋转弧等离子体反应器视为一维平推流反应器网络模型，结合裂解反应动力学模型与反应器流动模型，采用

2、CHEMKIN-PRO对丙烷的裂解过程进行数值模拟，用于分析热等离子体反应器内丙烷的裂解过程中产物的浓度分布及温度分布情况。反应动力学模型分别采用均相反应动力学模型和非均相反应动力学模型。模拟结果表明，包含结焦模型的非均相反应动力学模型与实验结果表现出更好的一致性，随着反应器长度的增加，乙炔浓度存在最佳点。通过降低反应器的停留时间至1．0ms以下，能有效提升C2H2收率。关键词：数学模拟热等离子体丙烷裂解乙炔中图分类号：TQ018；TQ221文献标识码：A热等离子体具有高温、高焓以及富含活性粒子等特性，能够在毫秒级的时间内完

3、成反应，实现物质的高效转化。热等离子体技术已被广泛运用于煤裂解制乙炔[1】、煤气化【2J、碳烷烃转化【3】、二氧化碳重整【4】以及生物质气化[5】等研究中。因不产生C02及耗水量少，热等离子体裂解煤及低碳烷烃制乙炔工艺被视为能代替传统电石法的既环保又高效的新工艺。由于热等离子体裂解制乙炔的反应过程在毫秒级时间内完成，产物需要快速淬冷以防止乙炔的进一步转化，因此，对该反应的动力学研究对于热等离子体反应器的设计及优化显得尤为重要。然而由于等离子体裂解在瞬时完成反应，对其动力学的实验研究较难实现。现阶段相关的热等离子体裂解动力学研

4、究主要集中于甲烷裂解制乙炔【6，7】及煤的裂解过程【8】。热等离子体裂解体的热力学平衡研究表明，不包含固态碳的均相热力学平衡计算结果与裂解的实验结果更为相符【9】。研究者们普遍认为在热等离子体反应器内的停留时间为毫秒级，这使得反应器内气固相平衡难以达到，整个反应体系可认为是单一气相平衡状态。故有研究者在动力学研究中采用均相反应动力学模型进行模拟【6'71。Slovetskii等【6j选择了29种物质及74个气相反应用于描述裂解过程中甲烷的转化及主要产物(C2H2及H2)的形成，并结合反应器内的传质及传热过程建立了一个甲烷裂解

5、动力学的数学模型。模拟结果表明，产物中甲烷浓度的计算值与实验值存在较大偏差，认为主要误差来源于等离子体炬用于加热氢气的实际功率、氢气与甲烷的气体流量、反应时间及最初混合物中的氢碳比等。由于在实际裂解反应中，焦的生成无法避免，因此有研究者采用非均相反应动力学模型进行模拟。Holmen掣10】提出了一个简化的甲烷等离子体裂解的表观动力学模型，并利用该简化模型对甲烷的裂解过程进行计算，得到了反应体系中各收疆日期：2015．03—19；修订日期：2016—07—13。作者简介：苏宝根(1975一)，男，副教授：任其龙(1959一)，

6、男，教授，通讯联系人。E-mail：renql@勾u．edu．c11。342化学反应工程与工艺2016年8月组分随反应时间的分布情况。Fincke等【ll】建立了包含29种物质，87个气相反应及2个结焦反应的动力学模型，用于研究甲烷的裂解反应动力学。在此基础上，利用CHEMKIN3．6中一维平推流反应器模拟了不同条件下甲烷裂解结果。利用该方法计算的模拟结果与实验值的偏差较小。由于在等离子体环境中丙烷在热力学上并不能稳定存在，因此早期的动力学研究模型中并不包含丙烷，无法直接用于丙烷裂解过程的动力学模拟研究。为此，本工作用一维平

7、推流反应器网络模型对MW级旋转弧等离子体反应器进行简化处理，分别结合均相反应动力学模型及非均相反应动力学模型(包含结焦模型)进行计算模拟。均相反应数据库包含198种物质与762个气相基元反应，能适用于多种化合物的裂解过程研究。结焦模型则采用了燃烧过程中较为公认的多环芳烃成核，氢消除乙炔加成(HACA)[12,13]及多环芳烃缩聚‘141的固体焦表面生长机理。通过对比丙烷裂解的模拟结果与实验值，筛选出更加合理的动力学模型，用于指导工艺条件和反应器结构优化。1丙烷等离子体裂解过程模型的建立及描述1．1反应器模型旋转弧等离子体反应

8、器的主要结构如图l所示，它由棒状阴极、套筒状阳极、淬冷段及励磁线圈组成。反应器内电弧在外加磁场的作用下高速旋转，形成均匀的等离子体。丙烷与氢气从旋转电弧上方通过，直接与等离子体充分接触，快速完成裂解反应，并在淬冷器的作用下迅速冷却至100℃以下，得到稳定的裂解气。coolingwaterl