低碳烯烃,如乙烯和丙烯等,作为最基础的化工原料,在现代石油和化学工业中占有极其重要的地位。随着低碳烯烃的需求量上升和石油价格不断上涨,甲醇取代石油作为原料制取烯烃成为最有前景的新路线。MTO为强放热催化反应,烯烃为甲醇催化反应的中间产物,为了更多的获得低碳烯烃,研发高活性,高选择性,稳定性能好的催化剂成为MTO工艺的关键。催化剂设计需要结合催化剂和工业反应器两方面,使催化剂得到实用性优化,本文从催化剂单颗粒到颗粒群再到反应器,从三个尺度对MTO工艺进行数值模拟研究。首先从单颗粒尺度出发,建立了MTO催化剂单颗粒反应-扩散模型,模拟计算了八种不同形态催化剂颗粒内组分质量分数分布和温度分布,并以催化剂有效因子和目的产物选择性作为基准比较了其反应性能的优劣。结果表明,颗粒粒径越小,孔隙率越小越有利于质量传递和能量传递,催化剂有效因子越大；球形颗粒半径由5mm减小到0.5mm时,乙烯选择性减小2%,丙烯、丁烯选择性均增大5%；孔隙率变化对烯烃选择性影响不大,变化均在3%以内；中空管形催化剂有效因子最大,且其对C3H6选择性最大,可达53.6%,对乙烯和丙烯总选择性达到71%。其次从颗粒群尺度出发,建立了12颗粒的切割120。反应管模型,模拟计算了四种颗粒形态催化剂填充床层的流动和反应性能,得到如下结论：中空管由于表面积较大,扩散路径最短,床层空隙率较低,因而中空管形颗粒固定床中平均流速最大,平均温度最低,组分质量分数梯度最小,平均反应速率最大,从而其效率因子最高,为最优催化剂形态。最后建立了工业尺度的固定床反应器模型,考察颗粒形态,操作条件对反应器中催化反应性能及传递性能的影响,得到结论如下：在指定的操作条件下,CH3OH迅速反应完全,在催化剂床层入口处不远出现热点,乙烯质量分数沿反应器轴向不断增大,丙烯及丁烯则先增大后减小,在CH3OH反应完全不远处达到最大,总低碳烯烃的选择性可高达96%；球形、中空管、三叶草及齿由球由于其产生的床层热点较低,对乙烯选择性较高而为较优催化剂形态：在可操作条件范围内应选择较高的进料温度,较高的水与甲醇进料比,较低的空时,可以得到较低的床层热点,较高的乙烯及总烯烃选择性。