基于四氟丙醇氧化的电催化膜反应器动力学和计算流体力学模拟

作     者：魏新 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李建新

授予年度：2016年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：四氟丙醇 四氟丙酸钠 电催化膜反应器 电化学反应动力学 计算流体动力学(CFD) 

摘      要：作为高选择性安全除草剂和重要精细化工中间体,四氟丙酸钠(STFP)通过电催化膜反应器催化氧化四氟丙醇(TFP)一步法成功制备。但由于跨膜流动过程普遍存在的流体分布不均匀等难题,影响电催化膜反应器应用和发展。本文以纳米氧化锰(MnOx)负载钛基(Ti)电催化膜反应器为基础,以TFP高效催化氧化制备STFP为目标,重点探索电催化膜反应器基于电化学方法的动力学参数及基于计算流体动力学(CFD)的流体分布,为电催化膜反应器设计以及操作过程优化提供理论依据。以铁氰化钾溶液为测试液,利用电化学工作站表征负载MnOx的平板电极、多孔电极和电催化膜反应器的电化学性能,探索膜反应器的动力学参数与电催化膜反应器催化反应作用机制。以CFD软件结合多孔模型,模拟二维管式电催化膜反应器中流体力学分布,研究膜组件尺寸对跨膜流速分布的影响,并结合催化反应对所得结果进行验证和应用。结果表明,多孔电极的电流效率、电化学活性位点、电解质与电极间传质效率均优于传统的平板电极,电催化膜反应器将多孔电极与强化传质作用耦合,通过增加扩散系数(由1.80×10-6cm2.s-1增加至6.87×10击cm2呵1)有效提高了反应器催化效率。其四氟丙醇转化率(74.3%)为平板电极3.5倍(21.5%)、多孔电极1.7倍(43.9%)。CFD模拟发现,尺寸对反应器内流体力学分布影响较大、存在一定的有效强化传质区。膜长度越短、膜直径越大的电催化膜反应器,跨膜流速越均匀、强化传质区占比越高,有利于提高反应器性能。对膜长度40mm,内径53mm的电催化膜反应器,TFP转化率高达97.7%,STFP选择性高于99.9%,且电流效率为40.]%,实验结果与模拟结果一致。此外,以强化传质区域占比和跨膜流速均匀性作为膜反应器优化的评价参数,发现强化传质区域随出口位置移动,并分布于其两侧。对于较长的膜反应器,可以通过设置多个出口提高强化传质区域占比。横卧反应器跨膜流速分布均匀,但四氟丙醇转化率、电流效率均较低。总之,电催化膜反应器电化学氧化与强化传质的有效耦合是提高其性能的关键。