异丙醇-丙酮-氢气化学热泵系统反应选择性调控的多尺度耦合研究

Based on a reversible endothermic and exothermic reaction couple, the isopropanol-acetone-hydrogen chemical heat pump(IAH-CHP) can upgrade the low-level thermal energy, which is a promising process because of its advantages such as high upgrading temperature, possibility of energy storage, and low hazard.The exceptionally high selectivity to the appointed products are required for the application of the IAH-CHP system.To our best knowledge,however,the report on selectivities for the IAH-CHP system is rare. In this work, the experimental and numerical simulation study on the reaction pathways for the by-products and the regulation mechanisms of the reaction selectivity will be performed. Based on the reliable experimental study and quantitative detection, the multi-scale models of the endothermic and exothermic reactor, which begin with the molecular-scale study, will be developed step by step. Thus the heat and mass transfer as well as the performances of the selectivities in the endothermic and exothermic reactor will be investigated, and the synergistic and coupling effect of the different scales as well as their influences on selectivities will be revealed. At last, the effective measures to improve selectivities for the IAH-CHP system will be acquired. All these investigations will provide theoretical guidance and technical support for the optimal design, process control and operation of the IAH-CHP system.

异丙醇-丙酮-氢气化学热泵利用可逆的吸/放热反应，将低温余热以化学能的形式回收并在高温下放出，可以实现余热品位提升，它具有温度适应范围宽、温度提升能力高、具备能量储存功能等优点，具有广阔的应用前景。但该热泵系统对反应选择性要求苛刻，而目前针对化学热泵系统反应选择性的研究鲜有报道。本项目拟采用实验与理论相结合的方法，对化学热泵系统中反应副产物的产生机理和反应选择性的控制机制进行系统深入研究。在可靠实验研究与定量检测的基础上，从分子尺度开始逐级递进地建立多尺度耦合的反应器数学模型，系统研究异丙醇-丙酮-氢气化学热泵系统中热质传递与反应特性，深刻揭示不同尺度上的协同与耦合效应及其对反应选择性的影响规律，得出提高反应选择性的有效措施与方法，为化学热泵系统的优化设计、控制及运行提供重要理论依据与关键技术支撑。

异丙醇-丙酮-氢气化学热泵利用可逆的吸/放热反应，将低温余热以化学能的形式回收并在高温下放出，可以实现余热品位提升，它具有温度适应范围宽、温度提升能力高、具备能量储存功能等优点，具有广阔的应用前景。本项目针对异丙醇-丙酮-氢气化学热泵系统中反应选择性调控的关键基础科学问题，通过多尺度耦合的实验与理论研究揭示反应选择性的影响因素与调控方法。在分子尺度上揭示了反应副产物的生成路径，指出了丙酮在催化剂表面的烯醇异构是产生副产物的主要源头，提出采用铂铜合金催化剂可以有效抑制副产物的生成，并实验制备出了泡沫状铂铜纳米颗粒，获得了异丙醇脱氢和丙酮加氢反应动力学方程。在催化剂颗粒尺度上，建立了颗粒尺度上反应传递模型，研究了颗粒内扩散对反应选择性的影响规律，为催化剂颗粒的设计提供了指导。在反应器尺度上，建立了催化剂颗粒随机填充的反应器床层模型，详细分析了其中热质传递及其与化学反应的耦合协同机制，并提出了反应精馏、超声波强化和多级串联放热反应器等方法强化反应器及化学热泵系统性能。最终在以上研究的基础上建成了异丙醇-丙酮-氢气化学热泵系统小型样机，经试验测试在多次循环过程中，均未发现副产物的产生，为该体系化学热泵的工业应用奠定了基础，也为其他体系热化学利用过程提供了可借鉴的研究方法。