丙烷氧化脱氢反应的模拟与分析

作     者：朱晋潇 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛敏钊

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：模拟 丙烷氧化脱氢 反应器 因素分析 

摘      要：石油资源日益枯竭,非石油基丙烯生产路线占比有望提升。丙烷氧化脱氢相比于直接脱氢可降低45%的单位能耗,装置已在海外投产,但因技术垄断国内尚无工业应用。因此,丙烷氧化脱氢反应的研究具有重要的经济和社会效益。现有基于热力学的研究认为,反应体系中添加水蒸气或氧气不利于提高反应转化率,但与工程实践现象相悖。因而,有必要进一步模拟分析,以提升丙烷氧化脱氢产率。本文分别建立R1固定床反应器和R2氧化脱氢反应器模型,依次在反应热力学、动力学、催化剂和反应器等维度下,因素分析反应器构造、操作条件、床层和催化剂参数等变量对丙烷转化率、丙烯选择性和混合程度等影响,并提出优化设计方案。反应热力学分析部分,运用Aspen软件建立吉布斯反应器模型,证实了反应体系中添加水蒸气或氧气降低丙烯产率的实验结果;反应流程的模拟分析部分,结合已有实验数据和动力学方程,建立稳态串联反应器模型,得到与工业装置相吻合的参照组（丙烯产率44.9%）,并多因素分析反应器长度和直径的设备条件,以及温度、压力、空时、水蒸气和氧气流量等操作条件对丙烯产率的影响,适量的氧气和水蒸气有利于提升产率。空时、水蒸气和氧气流量等参数的优化分别使得丙烯产率提升至52.0%、48.5%和45.0%。反应器多场模拟部分,运用Comsol软件耦合速度场、浓度场和温度场,创新的设计了反应器结构,建立R1反应器床层和催化剂颗粒双尺度下的反应-传递模型,以及R2反应器氧气混合模型。R1反应器中,提升催化剂孔隙率、缩减等效粒径以及降低颗粒温度有利于提升内扩散有效因子。入口丙烷进料量或床层空隙率提升,转化率下降。外扩散效应对反应影响程度有限;R2反应器中,通过定性和定量分析,氧气进气装置的半径、数量,以及进气速度和浓度等条件均影响气-气快速混合效率,进而影响反应的实际转化程度。在一定范围内,喷嘴直径越小、数量越多,混合效果和转化程度越高。