丙烯是塑料、纤维及多种化学品的关键原料，目前主要来自石油裂解工艺。随着页岩气开发带来的丰富丙烷资源，丙烷直接脱氢制丙烯（PDH）因其高选择性而备受关注。然而，该反应受热力学平衡限制，在常规反应器中转化率偏低，且高温易引发副反应与催化剂失活。如何高效、低温地实现丙烷转化是产业面临的核心挑战。
针对这一难题，华南理工大学樊栓狮教授团队通过构建无量纲数学模型，对多孔透氢膜反应器（MR）中的PDH过程进行了系统模拟研究，深入揭示了催化剂活性、膜性能及操作条件对反应性能的影响规律，为PDH过程的高效强化提供了重要的理论指导与技术启示。
图1膜反应器数学模型示意图
模拟结果表明，利用多孔透氢膜在反应过程中原位、选择性地分离产物氢气，可有效打破PDH反应的热力学平衡限制，驱动反应向生成丙烯的方向移动，从而大幅提升丙烷转化率。当催化剂活性足够时（Damköhler数, Da≥300），在600°C下丙烷转化率可从固定床反应器（FBR）的平衡值48%提升至86%以上，如图2。
图2 不同Da下膜反应器中C3H8转化率、C3H6收率、H2收率和H2纯度随渗透数θ的变化
(T=600℃,ph =100kPa,pl =5kPa,α H2 / C3H8 =500, α C3H8 / C3H6 =Knudsen selectivity)
研究对比了多孔膜与致密钯（Pd）基膜的性能。模拟显示，当多孔膜的H₂/C₃H₈选择性达到100，且氢气渗透通量在10⁻⁷–10⁻⁶ mol·m⁻²·s⁻¹·Pa⁻¹范围时，其PDH转化率与具有同等通量的Pd膜反应器相当，如图3。虽然多孔膜所得的氢气纯度低于Pd膜，但其在实现高转化率方面展现出替代昂贵Pd膜的技术与经济可行性。目前已报道的二氧化硅等多孔膜性能已远超此门槛，为实际应用奠定了基础。
图3不同H2 /C3H8选择性下膜反应器中C3H8转化率、 C3H6收率、H2收率和H2纯度随渗透数θ的变化
(T=600℃,ph =100kPa,pl =5kPa,Da=300, α C3H8 / C3H6 =Knudsen selectivity)
研究表明，膜反应器在低温下的强化效果更为显著。例如，在550°C下，膜反应器相比FBR可将丙烷转化率提升122%。这为在更温和条件下运行、减少催化剂积碳失活提供了可能。同时，研究揭示了进料压力的双重影响：虽然热力学上高压不利于反应，但增压会增大膜两侧氢气分压差，从而强化氢气分离，促进反应正向进行。因此，存在一个最佳进料压力（模拟中在常压附近），可实现转化率、氢气收率与装置处理量的综合优化。
模拟分析指出，高活性催化剂是高效转化的基础。在Da值低于300时，提升催化剂活性对转化率促进作用明显。同时，膜的高选择性对减少原料渗透损失、保证高转化率至关重要；而高渗透通量则确保了足够的氢气移除速率。二者需协同优化，以实现反应器性能最大化。
图4 不同进料压力下膜反应器内C3H8转化率、C3H6收率、 H2收率和H2纯度随渗透数θ的变化
(T=600℃, pl =5 kPa, Da=300, αH2 / C3H8 =500, αC3H8 / C3H8 =Knudsen selectivity)
该研究系统论证了采用低成本多孔膜反应器强化PDH反应在技术与经济上的双重优势。所建立的数学模型能够可靠预测各因素影响，为面向工业应用的膜反应器设计与工艺优化提供了有力的模拟工具与理论依据。
相关工作成果近日以 “多孔膜反应器中丙烷催化脱氢制丙烯的模拟研究”（A simulation study on propane dehydrogenation in porous membrane reactors for propylene production）为题发表在化工领域核心期刊《化工学报》（CIESC Journal）。
文章通讯作者为华南理工大学化学与化工学院樊栓狮教授、李刚教授，第一作者为华南理工大学化学与化工学院博士生叶枫，论文作者还包括华南理工大学化学与化工学院郎雪梅、王燕鸿、王盛龙，上海卫星工程研究所付鑫，宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室张建利。该研究得到了国家自然科学基金项目（项目编号：U1662137）以及省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室开放课题项目（项目编号：2021-K40）的支持。
叶枫，李刚，付鑫，等。多孔膜反应器中丙烷催化脱氢制丙烯的模拟研究 [J]. 化工学报，2022, 73 (5): 2008-2019.
YE Feng, LI Gang, FU Xin, et al. A simulation study on propane dehydrogenation in porous membrane reactors for propylene production [J]. CIESC Journal, 2022, 73 (5): 2008-2019.
