摘要：乙烯作为全球石油化工行业的核心平台化合物，年产量超过两亿吨，其主流生产工艺——乙烷蒸汽裂解——长期以来面临高能耗、高碳排放和严重结焦等问题。受限于反应器材料的耐温性能，传统工艺无法实现高于1000°C的均匀高温操作，导致反应效率低下和副产物增多。随着化工行业绿
乙烯作为全球石油化工行业的核心平台化合物，年产量超过两亿吨，其主流生产工艺——乙烷蒸汽裂解——长期以来面临高能耗、高碳排放和严重结焦等问题。受限于反应器材料的耐温性能，传统工艺无法实现高于1000°C的均匀高温操作，导致反应效率低下和副产物增多。随着化工行业绿色转型需求的日益迫切，开发一种能够突破温度限制、提升反应选择性与能效的新型裂解技术，已成为学术界和工业界共同关注的科学问题。
论文概要
2025年9月10日，特拉华大学研究团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为"Short contact time, high temperature, internally-heated ethane crackers"的研究论文。本研究提出了一种基于内部焦耳加热的无催化剂乙烷裂解新策略，通过直接电加热方式实现反应体系内快速、均匀的超高温（1000~1150°C）和超短停留时间（。研究结合集总动力学与微观动力学模型优化反应路径，依托计算流体力学模拟与碳纤维纸反应器实验验证，成功将乙烯产率提升至56%，优于工业基准水平（53%），并显著降低甲烷与芳烃副产物的生成。技术经济与生命周期评估表明，该工艺可降低约23%的投资成本和40%的碳排放，为下一代低碳烯烃生产提供了理论依据与技术路径。
图文解读
图1 乙烷热裂解模型计算。（a）1 atm下，纯乙烷进料时平衡组分随温度变化；（b）基于800~900 °C和约100 ms停留时间实验与工业数据的集总反应网络；（c）900~1400 °C、1 atm、[C2H6]入口浓度为1 mol/m³时的Levenspiel图；（d）1000 °C、1 atm下不同入口[C2H6]的Levenspiel图；（e）835 °C、1.9 atm、0.4 kgsteam/kgC2H6、τ = 0.2 s条件下实验与模拟出口组分对比；（f）900 °C、1 atm、0.3 kgsteam/kgC2H6时PFR中出口组分随停留时间变化（e和f为干基数据）。
图2 采用集总动力学模型预测的PFR反应器性能图谱（干基数据，进料：70 mol% C2H6和30 mol% H2O，1 atm）。（a）乙烷转化率（XC2H6）；（b）乙烯收率（YC2H4）；（c）甲烷收率（YCH4）；（d）苯收率（YC6H6）。黄圈：工业条件（T~800~900 °C，τ ~0.1 s）；蓝星：目标条件（T~1000~1500 °C，τ ~5~10 ms）。
图3 基于微观动力学模型（MKM）预测的PFR反应器性能（干基数据，进料：70 mol% C2H6和30 mol% He，1 atm）。（a）乙烷转化率（XC2H6）；（b）乙烯收率（YC2H4）；（c）甲烷收率（YCH4）；（d）苯收率（YC6H6）；（e）常规条件（900 °C，0.1 s）下的反应路径分析；（f）目标条件（1100 °C，2 ms）下的反应路径分析。
图4 CFP焦耳加热反应器中乙烷热裂解实验与采用调优集总动力学模型的CFD预测。（a）CFP热分布：（i）CFD模拟（宽侧视图）；（ii）~18 V下实验红外成像；（iii）CFD模拟的温度分布与流线叠加（旋转窄侧视图）；（b）不同流速与70 mol% C2H6进料下实验出口组分随温度变化；（c）XC2H6、（d）SC2H4及（e）产物收率的CFD预测与实验数据对比；（f）1100 °C、L=1 cm、总流速300 sccm时CFP反应器内C2H6与C2H4质量分数分布（前视图与侧视图）。
图5 本研究与现有技术的乙烯收率（YC2H4）和选择性（SC2H4）对比。（a）高温短停留时间下预测与实测数据（CFP，T=1000 °C，τ=10 ms）；（b）工业蒸汽裂解（750~900 °C）与Pt泡沫催化氧化脱氢文献数据。
图6 实验CFP反应器加热模式性能对比。（a）乙烷转化率随温度变化；（b）乙烷转化率随功率输入变化；（c）产物选择性随转化率变化；（d）产物收率随功率输入变化（虚线为脉冲加热（RPH），实线为连续焦耳加热（CJH））。
图7 工业基准、MKM预测理想PFR收率及实验达成收率的技术经济分析。（a）总投资（TCI）、总制造成本（TCM）与最低售价（MSP）；（b）运营成本分解；（c）公用工程消耗；（d）净能耗。
图8 工业基准与焦耳加热反应器的生命周期评估。（a）全球变暖潜能（GWP）分解；（b）不同电力来源下MKM-XC2H6 scenario的MSP；（c）不同电力来源下MKM-XC2H6 scenario的GWP。
总结展望
总之，本研究通过开发内部焦耳加热策略，实现了对乙烷裂解反应过程的高精度热控制，突破了传统外加热方式因器壁材料限制而无法达到的高温瓶颈。基于集总动力学与微观动力学模型的耦合分析，揭示了在超短停留时间（在实际体系中测得乙烯产率达56%，高于工业基准的53%，而模型预测在等温PFR和单通道反应器中可实现66%和64%的产率。连续焦耳加热在选择性与产率方面优于脉冲加热，因其可避免短时高温暴露导致的结焦和副反应加剧。经济与环境评估表明，该技术可降低约23%的资本支出和40%的碳排放，若采用可再生或核能电力，更可兼具经济竞争力与低碳效益，从而为低碳高强度烯烃生产提供了可靠路径。未来可探索结焦行为与加热元件在高温弱氧化气氛中的长期稳定性，以推进其工业应用。
素材来源 | Chemical Engineering Journal
来源：新浪财经
