多尺度层次下的循环流化床中甲醇定向转化制烯烃过程的化学工程研究

Methanol to olefins (MTO), which is one key step in the new C1 chemical engineering field, is of great significance in ensuring the safety of the national energy strategy. Furthermore, the studies of MTO from the chemical engineering viewpoint, especially the research and development of the MTO circulating fluidized bed reactor, are related to the industrialization process. Among them, the key is the study on the chemical engineering characteristics in the MTO circulating fluidized bed reactor. . In this project, a representative MTO circulating fluidized bed reactor will be selected as the studied object. And the gas-solid multiphase reaction system with the SAPO-34 catalysts will be studied thoroughly using an interdisciplinary approach. Duo to the multiscale characteristics of this system, we will study molecular transport and collision from the microscale, catalyst particle (cluster) movement from the mesoscale as well as interphase transfer and MTO reaction from macroscale. Moreover, we will establish multiscale mathematical models to describe the multiscale flow field in the multiphase circulating fluidized bed reactor via the way of key information transport among these scales. Accordingly, we will obtain these multiscale transport and reaction rules in this MTO reactor. . In short, in this project, we will perform systematical chemical engineering studies on the MTO process in circulating fidized bed reaction from the multiscale viewpoint. These studies will lay the founation for the design, optimization and scale-up of the MTO process. Besides, these studies will also be helpful to provide guidance for the independent development of new technologies and promote the development of chemical (reaction) engineering.

甲醇制烯烃(MTO)作为新型碳一化工领域重要新工艺中关键一步，在保证国家能源战略安全方面具有重要意义。对该步的反应工程研究关系到其工业化进程，特别是对循环流化床反应器的研发。核心就是循环流化床反应器中MTO的化学工程特性研究。. 采用多学科交叉方法研究SAPO-34催化的MTO循环流化床反应器中气-固多相反应体系，认识微观分子传递与碰撞（微观尺度传递与反应）、催化剂颗粒（群）运动（介观尺度传递）、相际传递和MTO反应（宏观尺度传递与反应）等基本过程特性。重点采用不同尺度的关键信息传递方法建立各尺度间相互耦合的多尺度模型，利用模型模拟循环流化床内部多尺度流场。从而获取多尺度观点下的MTO过程的传递与反应规律。. 上述研究将为MTO过程的设计、优化和放大奠定基础，甚至自主开发新技术提供指导，并促进化学(反应)工程学科的发展。

甲醇制烯烃(MTO)作为新型碳一化工领域重要新工艺中关键一步。对该步的反应工程研究关系到其工业化进程，特别是对循环流化床反应器的研发。核心就是循环流化床反应器中MTO的化学工程特性研究。本项目研究SAPO-34催化的MTO循环流化床反应器中气-固多相反应体系，认识微观分子传递与碰撞、催化剂颗粒（群）运动、宏观尺度传递与反应等基本过程特性。重点采用不同尺度的关键信息传递方法建立各尺度间相互耦合的多尺度模型，利用模型模拟循环流化床内部多尺度流场。从而获取多尺度观点下的MTO过程的传递与反应规律。. 经过三年工作，项目组完成了上述工作：(1). 分别建立循环充化床中MTO微观反应动力学模型、单颗粒流场及颗粒群运动模型和反应器中气-固流动模型。(2). 本项目组自主开发的“关键信息传递”方法应用到MTO反应器多尺度建模中，实现各子模型耦合，从而构建适用于本体系的多尺度计算流体力学(CFD)模型。(3). 考虑到上述多尺度模型应用到工业MTO反应器中存在计算时间过长及难以描述多相流场不均匀性，项目组还把亚格子过滤模型与多尺度CFD模型耦合，构建了适用于工业循环流化床内多尺度流场模型的过滤多尺度CFD模型。(4). 采用实验数据和合作单位工业数据对上述多尺度模型进行了考核。(5). 在此基础上，采用该亚格子过滤多尺度CFD模型系统模拟了工业反应器内部流场和各主要操作及反应器结构因素对反应器内部流场的影响，获取了多尺度观点下的MTO过程的传递与反应规律。. 上述研究为国内MTO过程的设计、优化和放大奠定基础，也为自主开发的MTO反应器升级提供了指导，一定程度促进了反应工程学科的发展。. 本工作已在包括国际化工三大期刊在内的SCI期刊上发表论文12篇，培养研究生2名。相关成果支撑负责人获2016年国家杰青。