微波辅助蓖麻油酸甲酯高温裂解装备的传热-反应及放大研究

Undecylenic acid is an important downstream product of castor oil, which can be used for the production of high value-added products such as engineering plastics, medicine, and spices. The high temperature pyrolysis process of methyl ricinoleate is the key step for preparing undecylenic acid, therefore it is necessary to create the high temperature and fast reaction conditions for the high temperature pyrolysis reaction, and hence the pyrolysis equipment design is particularly important. In this project, the spray heat exchange and microwave-assisted heating SiC bed coupling technology was applied to the pyrolysis process of methyl ricinoleate, in order to overcome the disadvantages of traditional pyrolysis process such as uneven temperature distribution, low product yield, and easy to coke. In addition, we design a new microwave-assisted pyrolysis unit. Microwave-assisted heating SiC absorbing bed which be intensified heating under the effect of microwave provide a reaction area of stable high temperature and high heat flow density. The spray heat exchange heating process can intensify the heat transfer process of materials and eliminate the contact thermal resistance between material droplets and the surface of microwave absorbing bed, in order to achieve material quick heat cracking. Using the "molecular-droplets-reactor" multi-scale simulation and experiments, the regulatory mechanism of quick heating pyrolysis reaction for methyl ricinoleate will be determined to achieve target products of high yield and high selectivity. The results will provide new design idea and research method for other liquid continuous high temperature pyrolysis process and unit.

十一碳烯酸是蓖麻油重要的下游产品，可用于生产生物基工程塑料、医药、香料等高附加值产品。蓖麻油酸甲酯高温裂解工艺是制备十一碳烯酸的关键步骤，对于高温裂解反应，必须创造高温、快速的反应条件，因而对裂解装备的设计尤为重要。本研究针对传统高温裂解装备存在温度分布不均匀、产品收率低、易结焦等不足，提出了将喷雾换热与微波辅助加热技术耦合应用于蓖麻油酸甲酯的裂解，设计了一种新型的微波辅助加热高温裂解装备。采用微波辅助加热SiC吸波床层，在微波作用下强化床层的加热过程，提供稳定的高温、高热流密度反应场所；采用喷雾换热强化物料加热过程，消除物料液滴与吸波床层表面的接触热阻，以期实现物料快速升温裂解；通过“分子-液滴-反应器”多尺度模拟和实验探究，探明蓖麻油酸甲酯快速升温裂解反应的调控机制，实现目标产品的高收率、高选择性。研究结果也将为其它液相连续化高温裂解过程和装备提供新的设计思路和研究方法。

十一烯酸（UA）是蓖麻油重要的下游产品，可用于生产生物基工程塑料、医药、香料等高附加值产品。UA制备的关键步骤是蓖麻油酸甲酯（MR）的高温裂解，而对于这一高温裂解反应，必须创造高温、快速的反应条件。为此，本项目提出了一种微波辅助加热耦合喷雾换热的新型反应器，开展了如下研究：（1）MR裂解反应机理研究；（2）单个雾化液滴的传热-反应过程研究；（3）雾化液滴与微波辅助加热SiC高温床层的喷雾换热-反应过程研究；（4）微波辅助加热SiC高温床层的温度分布及稳定性研究；（5）数值模拟放大及放大试验研究；（6）基于电磁感应加热的MR微液滴快速热解过程的拓展研究。通过开展上述研究，获得如下6方面重要结果和关键数据：（1）MR快速升温至反应温度，可快速达到热解反应的能量壁垒，有利于十一烯酸甲酯（UAME）和庚醛（HEP）的生成，反应活化能为287.72kJ/mol；（2）液滴粒径越小，速度越大，越有利于液滴与高温表面换热，当粒径为58μm的液滴以10m/s的速度撞击高温壁面时，升温速率（ºC/s）可达10^7数量级；（3）通过实验得到了液滴索特平均直径（SMD）和喷雾换热功率（P）的无量纲关联式，可通过关联式实现SMD和P的预测，在500ºC的反应温度、150ºC的预热温度和雾化进料下，UAME和HEP的最大选择性为76.6%和91.4%；（4）端口数量对床层表面温度稳定性影响不大，当微波功率为1kW时，MR的最大进料量为40mL/min，最高能量效率为81%，雾化进料有利于床层表面温度的均匀分布；（5）当放大装置功率为7kW时，理论最大处理量为20kg/h，当磁控管位于底部，床层直径大小为50cm，床层厚度为1cm，磁控管加热功率为6kW时，床层表面的控温效果较好，放大装置最佳反应温度为500ºC，UAME和HEP的最大选择性为74%和72%；（6）采用电磁感应加热为裂解反应提供稳定的高温表面，也能和微波实现相同的效果，在电磁感应加热下，其最佳反应温度为480ºC，得液率、UAME和HEP的选择性最高，分别为92.7%、72.9%和81.5%。基于上述研究，本项目研发出了微液滴快速升温热解技术，用于MR的快速热解。研究结果也将为其它液相连续化高温裂解过程和装备提供新的设计思路和参考。