目前,传统大规模制备乙烯的方法是乙烷蒸汽裂解法,该方法的优点是乙烷转化率较高和乙烯选择性较高。然而,乙烷蒸汽裂解法仍然面临着根本性的挑战,包括反应受到热力学平衡限制、能耗大、有二氧化碳排放及存在积碳问题等。为了解决这些问题,近年来研究学者发展了通过质子导体反应器制备乙烯的方法,该方法具有以下优点:乙烷转化率不受热力学平衡限制、能耗小、环保等,在高效节能的工业生产中具有巨大的应用潜力,因而受到了广泛的关注。多物理场模型有助于分析质子导体反应器内部的电化学反应过程和内部的热量、质量及能量的传输过程,对质子导体反应器的设计和优化起着重要的作用。本文通过建立多物理场模型的方法,以优化质子导体反应器的设计和运行提供理论指导为目标,探究质子导体反应器制备乙烯的电化学性能、法拉第效率和能量性能、内部的各物理场分布,主要内容包括以下几个部分:第一章首先介绍了常见的制备乙烯的方法、质子导体反应器的工作原理及关键组成部件;其次,介绍了质子导体反应器制备乙烯的实验研究现状及多物理场模型研究现状;最后,指出了现有的质子导体反应器制备乙烯的多物理场模型存在的问题:（1）缺乏氢泵模式下质子导体反应器制备乙烯的多物理场模型研究;（2）还没有相关的研究系统地分析和对比质子导体反应器在燃料电池模式下和氢泵模式下制备乙烯的性能和效率。第二章介绍了基于电化学模型和计算流体力学模型的质子导体反应器多物理场模型的基本框架。在电化学模型部分,首先介绍了电解质的有效质子电导率和有效电子空穴电导率的表达式;其次,根据电解质中的电荷迁移,推导出电子空穴电流与质子电流的关系表达式;最后,给出了能斯特平衡电压、过电势、能耗和能效的表达式。在计算流体力学模型部分,给出了连续性方程、动量方程和组分守恒方程的表达式。另外,详细描述了电化学模型和CFD模型耦合的求解步骤。第三章的研究工作中,在考虑质子电导率和电子空穴电导率在电解质层中不均匀分布的基础上,建立了一维的数学模型,并将其应用于分析和对比质子导体反应器在燃料电池模式下和氢泵模式下的电化学性能、法拉第效率和能量性能。此外,还探究了乙烷电极侧的水蒸气含量对质子导体反应器电化学性能的影响。研究结果表明:氢泵模式下质子导体反应器的法拉第效率高于燃料电池模式下的;与燃料电池模式相比,在氢泵模式下产生相同量的乙烯需要向外界吸收更多的能量,而该模式的系统能量效率更高;另外,在乙烷电极侧通入一定量的水蒸汽有利于提高乙烷的转化率和质子导体反应器的电化学性能。第四章为了克服一维数学模型的局限性,基于连续性方程、动量方程和组分守恒方程,建立了二维的数学模型,并将其应用于分析氢泵模式下质子导体反应器内部的轴向速度分布、组分摩尔分数分布、局部电流密度分布及局部过电势分布。研究结果表明:沿着气体流动通道方向,乙烷电极侧的氢气摩尔分数逐渐减小,而乙烷电极侧的乙烯摩尔分数和氢电极侧的氢气摩尔分数均增大;由于边界层的发展,乙烷电极侧和氢电极侧的轴向速度在入口处均出现加速的现象,不同之处在于,在气流通道的下游,乙烷电极侧的轴向速度逐渐增大,而氢电极侧的轴向速度呈现减速的现象;沿着气体流动通道方向,局部电流密度逐渐减小、局部欧姆过电势和氢电极活化过电势轻微地减小、局部浓差过电势和乙烷电极局部活化过电势轻微地增大。本文的研究结果可为用于制备乙烯的质子导体反应器的设计和优化提供有价值的信息及理论指导。