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煤基费托合成尾气中含有大量甲烷和二氧化碳，将其直接转化成合成气循环利用具有重要的经济和环保意义。在各种甲烷转化制合成气技术中，自热重整由于设备简单、可自热操作、容易放大等优点，具有广阔的应用前景。为了进一步改进自热重整反应器的性能，本文引入高效的蓄热式换热技术，提出了一种新的反应器配置--流向变换自热反应器，并将其应用于费托合成尾气的转化。
为了深入研究费托合成尾气转化过程，本文采取由反应热力学到动力学，由反应器稳态模拟到动态模拟的研究方案，详细模拟了所涉及反应体系的反应特性，流向变换自热反应器的反应器特征及其在费托合成尾气转化方面的应用。围绕上述框架，本课题在具体实施方面着力于以下几个方面的研究：
(1)文献调研与技术方案选择
详细总结了费托合成、合成气生产技术、流向变换反应器和模拟软件四方面的研究成果和发展趋势，提出了本课题的选题依据和研究思路。
(2)反应体系热力学和动力学研究
采用Gibbs自由能最小方法，借助Aspen Plus中的RGibbs反应器模块，本文对甲烷氧化体系和费托合成尾气氧化反应体系进行了详细的热力学模拟，结果表明：进料组成和温度是影响产物分布的两个关键因素，高压对反应过程不利，提高进料温度可提高绝热反应过程的转化率与合成气收率。
为了研究非催化反应过程的动力学特征，以便对自热重整的燃烧室和非催化部分氧化过程有深入了解，本课题采用Fortran语言编程建立动力学计算理想平推流反应器模型，并基于GRI-Mech3.0 CH4氧化机理对上述过程进行了动力学模拟。结果表明温度是影响气相反应速率的重要因素，压力增大可提高反应速率，GRI-Mech3.0机理可用于费托合成尾气氧化反应的动力学模拟。
(3)流向变换自热反应器稳态特性研究
在对传统自热重整反应器性能优劣分析的基础上，本文提出了中间和旁路两路进气，并对旁路进气采用高效的蓄热式换热器回收产物的显热进行预热的方案，使整个反应装置集反应和换热于一体，达到提高合成气收率和过程热效率的目的，该方案被称为流向变换自热反应器原理。采用Aspen Plus建立该反应器的稳态模型，模拟结果表明：旁路进气越多，反应器性能越好，但由于设备材质温度限制，存在一个最大旁路进气比；水蒸气和二氧化碳从旁路加入对过程的氧耗几乎没有影响，但可以提高过程转化率与合成气收率，调整合成气氢碳比到更大或更小；该装置非常适合于转化烃含量较少的原料气，特别是含有大量二氧化碳的费托合成尾气原料。通过比较各种可能反应器配置的产物分布和有效能效率，得出了费托合成尾气原料转化的最佳方案为催化的流向变换自热反应器。
(4)流向变换自热反应器动态特性研究
考虑到工业的自热反应器出口产物均可达到热力学平衡，本课题忽略动力学对反应的影响，提出重点考察蓄热段热效应对反应过程影响的简化动态模型。本文从模型假设入手，推导了蓄热段传热方程，采用Aspen Custom Modeler编程建立了蓄热段一维气固非均相传热模型，进而基于Aspen Dynamics建立了完整的流向变换自热反应器动态模型，对模型的初始化和求解策略也做了深入研究。初步的动态模拟结果表明：流向变换周期时间越短，产物的合成气收率越高；增加蓄热段管长和减小气体空速均可提高反应器性能。