丙烯是化学工业中至关重要的基础原料之一,其需求量也随着社会经济的飞速发展而日益提高。传统生产丙烯的方法如蒸汽裂解和催化裂化已经无法满足当下对于丙烯的需求。近年来,丙烷脱氢制丙烯作为一项专产丙烯的技术日趋成熟,但仍然存在脱氢反应受到热力学平衡限制和反应工艺需要大量能量输入的问题。将丙烷脱氢反应与氢选择性氧化反应耦合的设想可以有效地解决这些问题。该设想通过移除反应生成的氢气打破丙烷脱氢反应热力学平衡的限制,同时利用氢气燃烧生成的热量以节约能源。本文基于该设想对三种不同丙烷脱氢与氢选择性氧化耦合工艺进行了模拟研究,分别建立了对应的Co-fed工艺模型,催化膜反应器(CMR)工艺模型以及Redox工艺模型,并对三种工艺进行了模拟和优化。主要工作和结果如下:(1)基于Co-fed耦合方式建立了丙烷脱氢与氢选择性氧化耦合工艺过程模型。将Co-fed工艺与相应的Oleflex工艺进行模拟结果的比较,并考察了进料温度、操作总压力和进料摩尔分数对两种工艺结果的影响。结果显示不同条件下Co-fed工艺比Oleflex工艺的最终丙烯收率高6.0-46.1%,平均每吨丙烯可节省2.86-7.24×106 kJ能量;综合考虑最终丙烯收率,过程最高温度和工艺的资本投资,进料温度为873 K,总压力为1 bar,并使用4个PDH反应器是最优的选择。氧气输入量的优化结果表明,最佳丙烷/氧气摩尔比随进料温度的增加而增加,而随PDH反应器数量的减少而降低。优化得到的最终丙烯收率高达66.3%,但条件是需要10个PDH反应器和9个SHC反应器。此外,在考虑氢气氧化反应选择性影响的情况下,Co-fed工艺中的SHC催化剂对于氢燃烧反应的选择性至少要达到60.4%,才能再现Oleflex工艺的效率。(2)基于催化膜反应器(CMR)的耦合方式建立了丙烷脱氢与氢气氧化的耦合工艺模型。绝热模拟条件下典型模拟结果显示得到的CMR工艺的出口丙烯收率相较于没有氢气燃烧反应的膜反应器和普通固定床管式反应器,分别提升了126.1%和773.9%;通过两种流型模拟结果的对比发现,并流条件比逆流条件下反应器出口丙烷的转化率提升了 27.8%,丙烯的收率提升了 39.2%;温度因素研究结果表明,进料温度从623K提高到873 K时,出口丙烷转化率从11.1%提高到99.8%,出口丙烯收率从11.0%提高到95.5%。最高丙烯收率在进料温度为823 K时取得,因此进料温度选择设定为823 K。(3)基于Redox耦合方式建立了丙烷脱氢与氢选择性氧化耦合工艺模型。典型条件下的模拟结果显示,相较于普通固定床反应器工艺,4 min时的Redox工艺的丙烷转化率和丙烯收率分别提高了 121.7%和133.7%;20 min时Redox工艺的丙烷转化率和丙烯收率分别提高了 92.1%和94.0%。因此,该条件下的Redox工艺的脱氢模式可持续20 min才需要补充晶格氧,提供了工艺的可行性;考察进料温度这一关键影响因素后发现,当进料温度从673 K提升至973 K时,20 min时的反应器出口丙烷转化率从23.8%提升至70.7%,丙烯收率从22.8%提升至65.0%。综合考虑催化剂稳定性和Redox工艺的性能,选择进料温度可选定为973 K;考察操作总压力的因素后发现,当总压力从0.1 bar提升至3.0 bar时,20 min时反应器出口处的丙烷转化率从83.0%下降到36.1%,丙烯收率从76.4%下降到30.6%。1.0 bar下20 min时出口丙烷转化率可达70.7%,丙烯收率可达65.0%。综合工艺能耗和性能考虑后,选择操作总压力为1.0 bar。本文利用数学建模的方法对以上三种丙烷脱氢与氢选择性氧化耦合工艺进行了模拟研究,获得了一系列模拟和优化结果,经过进一步分析得到了各个工艺相应条件下的最优设计参数和操作参数。研究所得到的结果为这类耦合工艺的工业化开发提供了理论基础和指导依据。