11.16~11.19数维杯B题机理建模

既然是要分析催化反应机理模型，基于反应动力模型

那就是对具体产物的比例变化进行分析

模型建立：利用化学反应理论和动力学原理建立模型，描述CE、LG等模型化合物的脱硫灰催化反应。

模型分析：运用动力学方程和计算工具（例如Python中的SciPy库）来分析模型，得出关键的动力学参数和反应特性。

棉秆是CS,模型化合物CE,LG是它的两个主要成分，产物主要有焦油、水、焦渣，合成气

就是DFA对CE,LG,CS在过程中的具体影响

随着DFA的增加，高碳化合物的比例逐渐减小，催化剂催化反应物发生了裂解反应

主要就是对CE的的影响，对比20/100时

随着DFA的增加，对于CE的影响，氢气的含量先增加后减少；一氧化碳、二氧化碳的数量一直减少；CH4,C2H6的比例一直减少

随着DFA的增加，对于LG的影响，氢气的含量维持在较低水平，推测几乎不生产该产物；一氧化碳、二氧化碳的数量一直增加；

CH4的比例先增加后减少，C2H6一直维持在较低水平，推测几乎不生成该产物

以上是单独对CE,LG

对于整体的CS

表二是催化剂对合成气里的各种成分的影响。

表一是催化剂对整体最终产物的一个影响

要有一步，就是说明各产物在其中的占比例的变化，用数据说话

这里主要就是考虑量的问题，即对于温度和气压等都不考虑其影响

即DFA对整体产物分布的影响与对热解气中具体成分的影响

对整体产物分布的影响

整体产物有水，焦油，焦渣，热解气

明显降低了热解半焦的产率

对水的生成有明显促进作用

对热解油产率总体呈现缓慢增大趋势

热解气产率先升高后降低

（可以用数据进行说明，占的比例）

对热解气中具体成分的影响

热解气的主要成分为二氧化碳一氧化碳甲烷乙烷氢气

DFA不但促进了CS的热化学分解（整体上的，应该要从量上进行说明，就是总量增加了），提高了热解气的产量，还明显改变了热解气中各组分的产量，具体表现为抑制了二氧化碳和一氧化碳的生成，同时提高了氢气的产量；在一定混合比范围内，脱硫灰对甲烷，乙烷等烃类气体的生成有较为明显的定向作用（定向，应该进行显著性分析）

机理分析

随着催化剂增加，二氧化碳降低，

分析——计算元素比例

根据热解气中各组分的产量计算H/C比和O/C比

基于图表的定性分析与引用文献

热解过程中的产生的氢气主要来自CS其中CE的分解，DFA明显促进了CE热解产生的H自由基生成氢气的化学反应，用比例去进行说明

（同样引用）

（和论文一样多画几个图，基于图表进行分析）

CS分解过程中，CE,LG都是热解气中一氧化碳和二氧化碳的重要来源（可以把同比例下的CE,LG的量加在一起和CS里的去比对，从而进行说明），占的一个比例问题，占比例很大

（引用，加产物来源说明，比例分析）

CE热解生成的乙烷产量明显降低，其产量最大值出现在20/100时，说明CE热解促进作用使CE产生了更多

脱硫灰能够促进棉 杆的热分解，降低其热解半焦的产率，当脱硫灰/ 棉杆混合比为 0/100~50/100 时，脱硫灰能够提高 脱硫灰/棉杆热解气的产率； 相比棉杆热解气，脱 硫灰/棉杆热解气中的 H2，CH4，C2H6 的产量明显 增加，同时 CO 和 CO2 的产量降低；当脱硫灰/棉 杆混合比为 50/100 时， 脱硫灰/棉杆热解气中的 H2 产量是棉杆单独热解时 H2 产量的 4.68 倍；在 脱硫灰的催化作用下， 热解气的最大低位热值为 11.33 MJ/m3 ， 比棉杆单独热解时的热解气低位热 值提高了 20.48%。 通过模型化合物法研究发现： 脱硫灰对棉杆热解气中各组分的生成有明显的定 向催化效果； 脱硫灰明显促进了棉杆中纤维素热 解生成 H2 和 C2H6， 木质素的甲氧基侧链断裂生 成 CH4 的反应；脱硫灰在促进 LG 热裂解生成 CO 和 CO2 的同时， 抑制了 CE 生成 CO 和 CO2 的反 应。 脱硫灰对棉杆的催化作用最终导致脱硫灰/棉 杆热解气的 H/C 比大幅提升， 同时降低了其 O/C 比，使得热解气的产率和品质都有明显的提升

动力学方程

第一点关键在于不知道反应物的浓度

想要构建的是，自变量是混合比，因变量是各种产物，

然后就得到一个个拟合方程，从而对于输入的混合比，进行预测相应的各种产物的比例

注意这个单位，这个单位的意思是单位质量的干燥无灰基物质所生成的气体产物的体积。

例如，如果某种气体产物的产量为 10 mL/g,daf，那么每克干燥无灰基物质会产生 10 毫升的该气体。

根据反应过程中产物的产量，计算出各种

有催化剂时，使纤维素生成氢气和乙烷，

催化剂的影响，就应该关注在脱硫灰催化剂表面发生了什么反应

整体上是促进了棉秆的热分解

脱硫灰促进了纤维素生成氢气和木质素生成甲烷的过程

抑制了纤维素生成一氧化碳和二氧化碳的过程

脱硫灰的主要成分是

热解原理

赵希强. 农作物秸秆微波热解实验及机理研究[D]. 山东:山东大学,2010. DOI:10.7666/d.Y1794206.

在催化剂表面的反应，机理，平衡移动方向

上述是一般的热解原理（相当于又重述了一遍）

以下是在脱硫灰参与时

所以脱硫灰的加入可以提高氢气的含量

Gao, Ningbo,Sliz, Maciej,Quan, Cui等.Biomass CO2 gasification with CaO looping for syngas production in a fixed-bed reactor[J].RENEWABLE ENERGY,2021,652-661.DOI:10.1016/j.renene.2020.11.134

牛顿迭代法模型

假设

①生 物 质 之 中 的 N,S 和 其 他 元 素 不 影 响 热 解 反 应 和 催 化 重 整 反 应,且 都 忽 略 不 计。

②热 解 反 应 和 催 化 重 整 反 应 均 没 有 中 间 产 物 产 生,只 有 主 要 的 气 体 成 分 产 生,即 H2,CO,CO2,CH4 和 H2O, 且 所 有 反 应 均 达 到 了 热 力 学 平 衡 状 态。

③所 有 气 体 均 为 理 想 状 态, 所 有 反应均 在 常 压 等 温 条 件 下 运 行

模型验证

[1]谢思凡,胡建军,张全国,王伟,党钾涛,赵淑蘅.秸秆热解催化重整制备合成气 实验研究及模型预测[J].可再生能源,2020,38(9):1149-1156

谢思凡. 秸秆热解催化重整制备合成气及其热力学特性研究[D]. 河南:河南农业大学,2020.

反应动力学模型

假设

1.催化剂不会失活，即一定会发挥作用

整体的话，是整体———气+焦渣+水+焦油

由于气固反应催化剂的反应动力学十分复杂，故引用参数来表示脱硫灰整体的一个催化效应影响（引用文献）

 

LI Zhenshan, CAI Ningsheng. Rate equation theory for gas-solid reaction kinetics. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2022, 62(4): 704-721.

拟合后的模型进行修正与评估

最小二乘法