甲醇制低碳烯烃(MTO)作为碳一化工领域关键一步,是煤洁净利用新技术的重要环节,可以用来生产高附加值的石油化工产品,如乙烯和丙烯,在保证国家能源战略安全方面具有重要意义。这一过程中涉及到的MTO非均相催化反应器,尤其是流化床反应器,其内部亚网格(介尺度)非均匀流动结构(如颗粒聚团、颗粒带状物及气泡群等)对反应器性能有着重要的影响,是研究气固多相流复杂系统中多尺度特性的关键所在。传统的双流体模型(TFM)在粗网格的情况下忽视了亚网格非均匀结构对流化床反应器内多尺度流动、传递及反应行为的影响,导致预测的气固相间作用力系数及热质传递系数过高,流场特性预测脱离实际,进而导致在此基础上的反应器设计及放大规律不可靠。因此,突破亚网格非均匀结构问题是反应器优化设计和放大规律研究的关键所在。为了解决这一问题,本文建立了粗网格情况下的亚网格过滤CFD多尺度反应器模型,从冷态到热态、从催化剂颗粒的单分散性到多分散性,系统研究了MTO流化床反应器内部流场的规律以及关键工艺参数的模拟优化。首先,本文将亚格子过滤模型与计算流体力学模型(CFD)耦合,建立MTO工业流化床反应器的冷态模型。数值模拟结果表明,在粗糙网格的情况下,与传统的模型相比较,本文建立的模型可以更加精确地预测流态化过程中流场的性质,例如相对稳定的床层膨胀高度,经典的径向环-核结构以及轴向S-型分布。其次,在此工作的基础上,本文将反应动力学模型及亚网格过滤传热模型与之前的冷模工作耦合,进行了热态模拟,数值计算得到了更为真实的流场,并首次实现了MTO过程中积碳对于产物选择性分布影响的实时、全过程CFD粗网格模拟,给出了催化剂颗粒的最佳停留时间(~33min)以及最佳积碳含量(~6.74%),在此条件下,可以提高低碳烯烃的收率,增加了MTO工业生产的经济性。最后,考虑到工程上催化剂的投入巨大,而工业反应器内催化剂颗粒存在着破碎、磨损、聚并等现象,这会导致催化剂颗粒尺寸具有一定的分布,所以对催化剂的多分散性进行模拟研究十分必要。于是在之前两部分工作的基础上,本文又将颗粒粒群衡算模型(PBM)与之前建立的模型耦合,对催化剂的多分散性进行了详细的研究。模拟结果表明随着反应的进行,颗粒的平均粒径不断减小,颗粒的破碎、磨损相比于聚并占主导作用。这些规律的认识有利于为工程上反应器的设计优化与放大过程提供一定的理论指导。