我国石油和天然气资源紧缺,给新型煤化工带来了新的机遇,二甲醚(DME)是煤化工产业链下游的重要产品,随着工业化技术的完善及煤化工多联产技术的成熟,作为液化石油气、柴油的替代品和环保型化工原料越来越引起人们的关注,被誉为“21世纪的清洁燃料”二甲醚由气相甲醇脱水合成的工艺操作简易、可连续运行、易于大型化。该工艺原理是使甲醇蒸气在固定床反应器中通过固体酸性催化剂,进行气固相反应,然后生成二甲醚。该反应的动力学研究可以指导反应器的设计放大,反应器的数学模拟也可以为优化操作提供参考依据。首先对两种甲醇脱水催化剂的催化性能进行比较,优选出了性能较好的催化剂MD-2。建立了在MD-2催化剂上甲醇气相脱水生成二甲醚的本征动力学模型。在此动力学模型的基础上,建立了甲醇脱水催化剂上的扩散-反应模型,探讨了一定条件下颗粒内甲醇浓度分布的情况。针对某22万吨／年甲醇制二甲醚反应器以及新型年产40万吨二甲醚管壳型反应器,建立反应器数学模型并通过模拟计算讨论了不同操作条件以及不同催化剂颗粒尺寸对反应器性能的影响。在压力0.1-1.0MPa,温度240-340°C,空速为0.9-6.0h-1等操作范围内,通过等温积分反应器对粒度为80～100目的γ-A12O3催化剂上甲醇制取二甲醚反应的本征动力学进行了研究,建立了以各组分分压表示的Langmuir-Hinshelwood解离吸附本征动力学模型。使用Levenberg-Marquardt方法进行参数估值,获取本征动力模型中的参数。统计检验表明,该本征动力学模型是适宜的。针对工业颗粒催化剂,建立了气相甲醇脱水生成二甲醚反应的二维扩散-反应模型。使用有限元法对模型求解,得到了脱水催化剂内扩散效率因子。通过实验测定了宏观反应速率数据,对扩散-反应模型进行了检验。结果表明,甲醇内扩散效率因子的实验值和计算值的平均绝对误差为7.72%,说明二维扩散-反应模型计算甲醇气相脱水生成二甲醚反应的内扩散效率因子是可行的。在实验条件范围内,甲醇内扩散效率因子在0.57～0.83之间,表明内扩散对反应有一定程度的影响,通过模型计算得到催化剂粒内甲醇的浓度分布。针对某22万吨／年甲醇制二甲醚反应器,建立了多段绝热段间换热固定床数学模型,通过比较发现,工业反应器的实际床层温度值和模拟所得催化剂床层温度值吻合良好,证明该反应器数学模型是可靠的。讨论了进口甲醇温度、进口甲醇流量、催化剂颗粒大小等参数的变化对工业反应器中甲醇气相脱水生成二甲醚反应结果和催化床轴向温度分布的影响,内扩散效率因子随床层高度分布的情况,便于优化该工业反应器的操作。提出了40万吨／年二甲醚大型管壳反应器,建立了气相甲醇脱水生成二甲醚的管壳反应器的数学模型,模拟计算管壳反应器内甲醇和二甲醚的浓度分布、床层轴向的温度分布以及甲醇内扩散效率因子随床层的分布。根据管壳反应器的数学模型,探讨了不同操作条件对该反应器的影响。在进口温度250～290℃、甲醇流量2000～3600kmol/h、压力0.7～1.5MPa、沸腾水温度270～310℃范围内,反应器进口温度对反应结果影响不大；随着甲醇流量的增加,管壳型反应器中催化剂床层的最高温度、出口二甲醚摩尔分率和甲醇转化率都略有减小,但二甲醚的日生产量明显增加。反应器进口压力升高,对催化剂床层的最高温度、出口二甲醚摩尔分率、甲醇转化率以及二甲醚的日产量影响并不明显。沸腾水温度对于反应的甲醇转化率和催化剂床层最高温度的影响均较为显著。随着沸腾水的温度的上升,反应器出口二甲醚摩尔分率、甲醇转化率以及二甲醚的日产量都增加,同时床层热点温度迅速上升。随着催化剂颗粒的增大,床层最高温度呈下降趋势,反应器出口二甲醚的摩尔分率、甲醇转化率以及二甲醚的日产量都减小。