一类Guerbet反应选择性的数学建模研究
作者单位:北京化工大学
学位级别:硕士
导师姓名:江新华
授予年度:2018年
学科分类:081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070102[理学-计算数学] 0701[理学-数学]
摘 要:Guerbet反应是一类常见的醇缩合反应,在工业制备高碳醇中具有广泛的应用,国内外有诸多研究成果。在化学方面,对于Guerbet反应的研究主要集中于对不同反应催化剂性能的讨论,传统上少有对其反应动力学深层次的探讨。反应动力学描述了化学反应的反应机理以及不同时刻的反应速率,对进一步了解反应本质有很大帮助。由于原子守恒定律与质量作用定律的存在,每一个化学反应速率方程组都能与一个非线性自治系统相对应。因此,利用微分方程工具建立数学动力学模型,成为了一种研究反应动力学的有效手段。本文尝试为一类代表性的Guerbet反应建立数学动力学模型,分析反应物初值、反应器流速等条件对反应选择性的影响,从而为实际生产提供帮助。首先,本文讨论了在封闭的均匀环境下的反应情况,证明了反应的定态、热平衡、化学平衡三种状态的相互等价,并且进一步证明了平衡点的存在唯一性与全局渐近稳定性。之后,本文讨论了具有流入流出的开放的均匀环境下的反应情况,证明了反应平衡点的存在唯一性与稳定性,分析不同条件对于正丁醇选择性的影响。发现在不添加乙醛时,低流速不利于正丁醇选择性的提升;添加乙醛时,在一定的流速范围内,可以通过调节投料比使得反应选择性、产率与转化率指标达到局部最优。例如,流速在0到10之间且投料比最大不超过10:1时,调节流速至0.025升每秒,投料比为3.35:1,此时选择性能达到76.8%,产率达到76.7%,转化率达到99.4%。最后,本文在开放模型的基础上,考虑了催化剂的影响,建立了表面催化模型,利用四阶龙格库塔方法模拟了各组分浓度以及催化剂表面位点占用率关于时间的变化情况。发现在一定的流速范围内,同样可以通过调节投料比使正丁醇选择性达到局部最优。例如,流速在0到10之间且投料比最大不超过10:1时,调节流速至0.025升每秒,不添加乙醛,此时选择性能达到45%,产率达到40%,转化率达到90%。