第10卷第5期 2010年10月
过程工程学报
The Chinese Jourmal of Process Engineering
合成气制二甲醚管壳型反应器的二维数学模型与分析
王宇，马宏方，应卫勇，房鼎业
(华东理工大学大型工业反应器工程教育部工程研究中心，化学工程联合国家重点实验室，上海200237)
Vol.10 No.5 Oct.2010
摘要：建立了合成气一步法制二甲醚管壳式固定床反应器二维拟均相模型，采用有限差分和Runge-Kutta相结合的方法(MOL法)求解催化床层内关键组分浓度与床层温度的轴向与径向分布，模拟分析了反应管直径和操作条件对反应器性能的影响.结果表明，当反应管内径为38mm时，标况下床层热点在距反应管入口2.1m处，热点温度为262.76 ℃，最大径向温度差为4.1℃，CO单程转化率为64.12%，二甲醚选择性为89.86%.反应管直径增大导致热点温度升
高，沸腾水温度、入塔气量和CO含量都对CO单程转化率、二甲醚选择性和床层热点温度有较大影响关键词：合成气：二甲醚合成：管光型反应器：二维数学模型
中图分类号：TQ223.121 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2010)05-0933-06
3-1甲醇脱水混合催化剂的本征动力学，聂兆广等[7]在微分反应器中研究了一步法制二甲醚混合催化剂的气
二甲醚(DimethylEther,DME)具有无毒、燃烧充分、
易液化等特性，除了制冷剂、发泡剂、麻醇剂等传统应用外，还可替代柴油和液化石油气，被誉为“21世纪的绿色燃料”，与柴油相比，二甲醚作为替代车用燃料，具有十六烷值高、燃烧效率高、尾气碳烟少、NO，含量少、噪音低等优点，目前国内外二甲醚汽车技术已较成熟，与液化石油气相比，二甲醚饱和蒸汽压低，爆炸下限高，使用相对安全，随着石油资源日益匮乏，二甲醚的需求迅速增加，更经济的二甲醚合成工艺已成为各国科研人员探索的焦点。
合成气一步法制二甲醚将传统的两步法合成工艺耦合在一起，通过一个反应器完成，即在双功能催化剂的作用下，合成气反应生成的甲醇(Methanol,M)立即脱水生成二甲醚.该工艺打破了两步法工艺中甲醇合成的热力学平衡限制，提高了CO的单程转化率(2)，Adachi 等[3)研究发现，当Hz/CO()为1:1、压力3~7MPa、温度200~400℃时，一步法制二甲醚反应的CO平衡转化率远大于甲醇合成，甲醇合成与甲醇脱水两个反应协同效应显著.Wang等4在等温积分反应器中研究了C301 甲醇合成与ZSM-5甲醇脱水混合催化剂的协同效应，结果表明，ZSM-5催化剂的引入显著提高了CO单程转化率，最高可达90%，有明显的协同效应，
刘宏伟等[5]在积分反应器中考察了复合催化剂与混合催化剂性能并得到了本征动力学方程，表明在压力 3.0~7.0MPa、温度220~260C时，CO合成申醇、申醇脱水的反应速率复合催化剂略大于混合催化剂.Cheng 等[]在积分反应器中研究了XNC-98甲醇合成与CNM-收稿日期：2010-08-10，修回日期：2010-1022
基金项目：国家科技支撑计划基金资助项(编号：2006BAE02B02）
固宏观动力学，Hu等建立了一步法制二甲醛管壳式固定床反应器的一维数学模型。由于合成气一步法制二甲醚反应热效应大，反应管内径向温度与浓度差对热点温度、二甲醚选择性的影响不容忽视。本工作在前人研究的基础上，建立了反应管二维拟均相模型，采用二维拟均相模型模拟设计年产20万t的二甲醚合成反应器，并
模拟分析重要工艺参数对反应器性能的影响 2反应器数学模型
合成气一步法制二甲醚反应体系包括如下反应[9]，
CO+2H2=CH,OH, CO,+3H, = CH,OH+H,O, 2CH;OH=CH;OCH,+H,O, 2CO+4H2=CHOCHg+H,O, 2COz+6Hz=CH;OCHy+3H,O,
CO+H;O CO,+Hz
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式(1)~(3)为独立反应，CO,COz,CH,OCH,为关键组分 2.1物料衡算
该反应体系是一个分子数减少的反应，对其进行物料衡算，得如下关系：
N=N[(12ycojin2yco,/)/(12yco2yco,)],
冷
D=N.g/N=(12yoo2yco,)/(12yco,2yco,in), 可得
JH;=(VHg/i2yco,m3yco,/in)D+2yco+3ycoz
作者简介：王字(1985-)，男，湖北省宜昌市人，硕士研究生，研究方向：催化反应工程：应卫勇，通讯联系人，E-mail:wying@ecust.edu.cn
万方数据
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