基于多尺度及李亚普罗夫理论的反应精馏过程模拟与多态分析

针对反应精馏过程建模及多稳态问题研究的不足，本项目采用多尺度方法，依据非平衡热力学原理，对反应精馏过程复杂的时空多尺度结构进行分析。首先，根据特征长度及传质机理的不同，将反应精馏塔内复杂的物理化学过程划分为在催化剂颗粒、规整催化填料和反应精馏塔三个特征尺度上进行的过程；然后，将介观子尺度即规整催化填料分为反应区和汽液传质区，并将孔隙网络模型分别用于反应区催化剂颗粒间孔道结构及颗粒内孔道结构形态的数学描述，建立各子尺度模型；再依据多畴结构策略，将各子尺度模型整合为过程多尺度模型并求解；最后，指出稳定性判定在多稳态现象研究中的重要意义，将李亚普罗夫稳定性理论用于多稳态现象的分析，尝试建立能对多稳态进行控制的方法。本研究将多尺度方法用于反应精馏耦合过程，并在介尺度结构数学描述、多稳态分析等方面提出了新思路；另一方面也将理论用于实际，为丙三醇的利用开发一个新工艺，促进生物燃料的工业生产。

本项目在执行期的三年来，围绕反应精馏过程的多尺度模拟及甘油碳酸酯（GC）的反应精馏合成过程开发等问题进行相关研究工作，主要研究内容和所取得的成果包括以下几个方面：一是进行了合成GC过程的反应动力学研究，建立了甘油（GL）与碳酸二甲酯（DMC）在CaO催化剂上进行酯交换反应合成GC的动力学模型，并得到了动力学参数；二是进行合成GC体系的液液及汽液相平衡研究，测定了DMC-MeOH（甲醇）-GL体系的液液相平衡数据，并分别采用NRTL方程和UNIQUAC方程进行了关联，得到了模型参数，模型预测值与实验值能很好的吻合；三是开发了CaO/Al2O3体系，KNO3/CaO体系以及K2O/CaO/Al2O3体系等可用于合成GC的催化剂，上述催化剂原料来源广泛，价位低，不仅显示出较好的催化活性和稳定性，而且具有高的机械强度，比较适合于工业反应器的使用。四是进行了GC反应精馏合成过程的实验和模拟研究，得到了优化的过程参数，结果表明，反应精馏技术比较适合于GC的合成过程；五是建立了反应精馏过程的多尺度模型，在模型中将反应精馏过程划分为在催化剂颗粒尺度，规整催化填料尺度和反应精馏塔尺度三个子尺度结构上进行的过程，并成功进行了求解，得到了相关变量在各级上的分布。在项目执行期间，共培养硕士研究生4名，其中，已毕业研究生2名，在读研究生2名。目前共参加国内学术会议3次，已发表SCI收录论文2篇，并还有数篇SCI论文和相关专利在修改或投稿中。可以说，本项目组基本上按计划完成了相关研究工作，并已取得了一系列成果。