乙烯作为基础有机化工原料，在化工生产和国民经济中占据重要地位。近年来，随着美国页岩气开采量的提高，我国乙烷进口量不断扩大，以乙烷为原料制取乙烯的工艺路线受到广泛关注。传统乙烷热裂解法有着耗能高、积炭量大等固有缺点，生产前景受限。而乙烷氧化脱氢制乙烯(Oxidative Dehydrogenation of Ethane，ODHE)方法以其自供热和积炭少等优势，成为了极具竞争优势的工艺路线。开发高效的新型固定床反应器是实施该技术路线的关键。固定床反应器内涉及流体流动、传质传热、均相及非均相化学反应等多个过程，传统的设计方法难以满足对反应器的设计开发要求。本研究采用多尺度模拟方法，从微观动力学、催化剂颗粒尺度和反应器尺度对Pt基催化剂上ODHE过程进行了研究，获得了该过程在不同尺度上的对传热、传质和反应规律的认识，为工业反应器的开发设计奠定基础。
　　首先，利用动力学蒙特卡洛方法(Kinetic Monte Carlo method，KMC)，对已有的ODHE非均相基元反应模型进行了计算模拟研究，对不同反应路径进行了对比分析，从中筛选出主要特征反应，对复杂的反应网络进行合理简化。将简化前、后的反应网络与CFD模型相耦合，预测了在相同条件下催化剂颗粒周围流场分布情况，研究结果表明，简化后的反应网络模型仍能较准确地预测ODHE反应及传热过程。
　　本研究采用离散单元法(DiscreteElement Method，DEM)构建了颗粒随机堆积的复杂催化剂床层结构。基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics， CFD)方法，通过耦合简化后的微观反应动力学，对催化剂颗粒尺度上ODHE过程中的均相、非均相反应与传递过程进行了耦合模拟，实现了对催化剂床层中局部流体流动、传热及传质过程的定量描述，研究了操作条件对床层中局部催化ODHE反应、传热过程的影响规律。
　　采用多孔介质模型建立了工业规模反应器中的反应-流动-传热耦合计算模型，研究了ODHE反应在宏观反应器尺度上的特性，并根据所得规律性认识进行工业级反应器设计。通过系统考察ODHE工艺条件对反应器性能的影响，实现了反应物的高效转化及对反应温度的有效控制。根据模拟研究结果进行了年产10万吨乙烯的固定床反应器设计，在入口气体流速为2m/s、温度为783K、压力为0.12MPa、进料中乙烯与氧气摩尔比(MC2H6∶MO2)为3∶1的条件下，反应体系无需外加热源即可以实现高转化率和高选择性运行。