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乙醇催化脱水制乙烯反应系统的数学模拟

侯伟  
【摘要】: 根据系统建模的理论,以生物乙醇催化脱水制乙烯为研究体系,以乙醇脱水生成乙烯及乙醚为独立反应,以乙醇和乙烯作为关键组分,建立了多相催化固定床管式积分反应器的一维和二维数学模型。 采用龙格-库塔法对得到的一维数学模型进行数值求解;而对于二维数学模型,则采用正交配置法沿径向离散化,最终形成一组常微分方程组,再利用龙格-库塔法求解得到的方程组。通过计算机模拟得到了乙醇催化脱水制备乙烯反应过程中反应器的轴向和径向的组分浓度分布。然后分别针对不同的操作条件,对反应情况进行模拟计算,以研究不同实验温度和进料速率对于乙醇脱水制乙烯反应的影响。结果表明实验温度的提高可以提高乙烯的产量,产生乙烯反应的选择性明显提高,但是乙醇转化率变化相对较小。随着进料流率的增大,催化剂选择性先减后增,但都高于90%;在进料流率小于0.8 mL·min~(-1)时转化率都在80%以上,当流率过大时,反应转化率会迅速降低。同时,二维模型的结果还表明,由于实验采用反应管管径较小,使得乙醇催化脱水制备乙烯的反应器催化床径向浓度差很小,并且计算结果与一维模型基本一致,因此乙醇催化脱水制备乙烯反应采用一维模型对反应器模拟是适当的。 最后,利用系统分析的方法,根据乙醇脱水制备乙烯反应的一维数学模型,得到了目前生产条件下,该反应的最优工艺条件:温度为423℃,进料速率为1.1 mL·min~(-1)。然后又利用系统评价和价值论,对生物乙醇脱水制备乙烯技术,分别从社会价值、技术条件以及经济价值分别进行了分析与评价,认为当前条件下,作为石油工业生产乙烯技术的补充和后备替代技术是可行的。


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