微反应器应用于强放热反应费托合成：实验研究和数学建模

文章信息

Microchannel reactors for Fischer-Tropsch synthesis: Experimental investigation and mathematical modeling

Huili Cao (曹慧丽), Run Xu (徐润), Xiaojin Tang (唐晓津), Tao Yang (杨涛), Shuandi Hou (侯栓弟), Chaopeng Hou (侯朝鹏)

Volume 64, December 2023, Pages 224-240

https://doi.org/10.1016/j.cjche.2023.04.027

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Chinese Journal of Chemical Engineering

研究背景

费托合成是将煤、天然气和生物质转化为液体燃料的一项重要技术。由于费托合成是强放热反应，而微反应器由于自身的结构特点具有较好的传质传热性能，因此将微反应器应用于费托合成越来越受到人们的关注。尽管文献中有关于微通道反应器内费托合成的实验和模拟研究，但关于微反应器内流体体积变化的讨论很少。费托合成是一个缩体积的反应过程，体积收缩会影响反应通道内的气速，进而影响反应通道内各组分的浓度分布情况。

在本研究中，首先在微通道反应器内进行了费托合成实验，以研究温度、压力和合成气比（SR）对实验结果的影响。基于上述实验数据，建立了微通道反应器中费托合成的动态多组分变体积流传质模型来描述和预测该过程。

成果展示

微反应器中费托合成实验表明，CO转化率随温度、压力和SR的增加而增加。CH4选择性随着温度和SR的增加而增加，随着压力的增加而降低。C5+选择性随着温度和压力的增加而增加，随着SR的增加而降低。

将CO、H2、N2、H2O、CH4、CO2和C5+作为关键组分，基于轴向分散模型，结合费托合成反应动力学，建立了描述微通道反应器费托合成过程的动态多组分变体积流模型。该模型用于计算浓度、压力、表观气速、反应速率和轴向分散系数的值。通过计算上述参数的分布，可以清楚地描述微通道反应器中的反应过程。

建立了一种计算微通道反应器内压力和表观气速的新方法，与以前的方法相比，该方法更加简洁。压力计算采用厄根方程和理想气体状态方程，表观气速与气体浓度直接相关。

以实验数据为基础，拟合了反应速率常数的关联式，模拟结果与实验结果的误差在20%以内。还获得了流体动力学参数（表观气速和压力）、CO转化率和各组分浓度沿反应通道的分布。模拟结果表明，摩擦压降引起的体积膨胀抵消了反应消耗引起的体积收缩，因此随着反应的进行，沿反应通道的表观气速略有下降。

研究了多组分动态传质模型的适用性。通过拟合反应速率常数关联式，分别模拟了文献中报道的两组数据。模拟值与实验值的误差主要在20%以内，证明了该模型具有良好的适用性。基于计算结果，仔细分析了微通道中的反应特性。

图文导读

费托合成反应系统由合成气纯化、微通道反应器、产物分离和分析三部分组成，如图2所示。

实验结果如表一所示。考察了温度、压力和合成气比（SR）对CO转化率、CH4选择性和C5+选择性的影响。

通过求解微通道反应器中费托合成的动态多组分变体积流传质模型得到了表观气速、压力、CO转化率和各组分浓度沿反应通道的分布情况。图3显示了在不同反应条件下，表观气速沿反应通道的分布。随着反应的进行，表观气速沿着反应通道略微降低。可以得出结论，摩擦压降引起的体积膨胀可以抵消反应消耗引起的体积收缩。

图4显示了在不同反应条件下压力沿反应通道的分布。随着反应的进行，气相浓度逐渐降低，压力逐渐降低。

图5显示了在不同反应条件下CO转化率沿反应通道的分布。CO转化率沿着反应通道增加，CO转化率随着温度、压力和SR的增加而增加。

图6(a)–(f)分别表示CO、H2、N2、H2O、CH4和CO2沿反应通道的浓度分布。CO和H2随着反应的进行浓度逐渐下降，而H2O、CH4和CO2随着反应的进行浓度逐渐增高。随着反应的进行，气相中氮的分压与其他组分的分压相比逐渐增加。

作者及团队介绍

通讯作者：唐晓津，正高级工程师，石科院院高级专家。主要从事多相反应器模拟方面的研究。

图：欧世盛双通道催化剂评价装置安装现场……

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