甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯反應器的數(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)化的甲烷直接轉化方法，但甲烷氧化偶聯(lián)反應是強放熱反應，催化劑床層容易形成熱點，工業(yè)裝置的溫度難以控制。僅采用實驗的方法實現(xiàn)反應器放大，會導致反應器開發(fā)成本高、周期長。計算流體力學是在流場計算的基礎上，同時考慮流動、傳熱、化學反應等多物理化學現(xiàn)象間的耦合作用，可以準確預測反應器的特性，為反應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。
　　本文采用計算流體力學方法，利用修改參數(shù)后的Stans

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

3、體密度和流速等參數(shù)分布表明:在催化劑床層的進口附近，OCM反應較快，該區(qū)域的溫度稍高于其它區(qū)域，包圍該區(qū)域的反應器壁面放熱較多，熱通量最大值為17500W/m2;顆粒催化劑床層內的OCM反應為變容積反應，并且生成物總摩爾數(shù)大于反應物總摩爾數(shù)，導致流體速度沿流動方向逐漸增加，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器，采用與顆粒催化劑固定床反應器計算結果類似的處理辦法，分析計算結

4、果。研究表明，反應器出口處主要參數(shù)計算值與實驗值的誤差范圍為±4％，模型可靠;由于邊界層、化學反應和整體式催化劑結構的影響，導致催化劑床層內的流速沿內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器可以將這兩種催化劑的優(yōu)點互補。在上述計算的基礎上，模擬研究了兩段式固定床反應器的反應特性，并考察了反應溫度和床層高度對反應器特性的影響。計算結果表明:顆粒催化劑床層內OCM反應比整體式催化劑床層內的劇烈;

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;反應溫度通過影響反應網(wǎng)絡內各步反應的速率，進而影響各組分質量分數(shù)的分布，導致反應溫度為800℃時，C2產(chǎn)物選擇性達到最優(yōu)值66.7％;當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，由于顆粒催化劑床層出口處各組分的質量分數(shù)存在差異，改變了下游的整體式催化劑床層的進口條件，最終導致C2收率在顆粒催化劑床層高度為10mm達到

6、最優(yōu)值21.8％。
　　由于兩段式固定床反應器內整體式催化劑床層內氧氣分壓較低，降低了整體式催化劑的活性，導致整體式催化劑無法發(fā)揮其高C2選擇性的優(yōu)勢。在兩段式固定床反應器的兩段床層之間補充氧氣，可以有效提高C2產(chǎn)物收率。本文在兩段式固定床反應器模擬計算的基礎上，對中間補氧的兩段式固定床反應器進行模擬研究，并考察了補氧量和反應溫度對反應器特性的影響。計算結果表明:對于不同補氧量下的P10M50固定床反應器，補充的氧氣促進了整體式催

7、化劑床層內的OCM反應，導致反應器出口處的C2選擇性和收率隨補氧量的增加而逐漸升高;對于不同溫度下補氧量為15％的P10M50固定床反應器，其整體式催化劑床層上的參數(shù)分布規(guī)律與無補氧的P10M50固定床反應器內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上，將兩段式固定床反應器進行放大，設計了乙烯產(chǎn)量為300ton/a的兩段式固定床反應器的中試裝置，并采用與實驗室小反應器模擬中相同的數(shù)學模型對其進行模擬，同時考

8、察了冷卻劑流量和冷卻劑進口溫度對反應器特性的影響。通過分析列管式固定床中試反應器內冷卻劑流速、溫度和反應氣體的組分質量分數(shù)以及壁面熱通量、對流換熱系數(shù)等反應器的特性參數(shù)的分布，得到如下結論: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;當冷卻劑流量為453ton/h，冷卻劑進口溫度為790℃，原料氣體流量為594Nm3/h，原料氣體進口溫度為775℃，烷氧比為3時，所設計的反應器滿足