电反应塔（ERTs）：实现可再生能源驱动下吸热反应灵活操作的新型反应器设计

可再生能源的波动性给传统电加热吸热反应器带来巨大挑战。为解决这一关键问题，Purdue大学团队创新性提出电反应塔（ERTs）概念，通过独立控温加热区动态调节有效反应长度，成功在变功率和进料条件下维持产物组成稳定。该研究为化工过程与可再生能源整合提供了革命性解决方案，发表于《Cell Reports Physical Science》。

　　

在全球碳中和背景下，化学工业面临严峻的脱碳挑战——该行业贡献了约7%的全球温室气体排放，主要源于高温吸热反应对化石燃料的依赖。以乙烯生产为例，传统蒸汽裂解工艺每吨产品排放1.0-1.4吨CO₂，而全球年需求量已突破1.91亿吨。虽然利用可再生能源电力替代化石能源加热反应器是理想解决方案，但太阳能、风能的间歇性特性导致功率波动范围可达±100%，这对需要稳定操作条件的传统固定长度反应器构成根本性障碍。

美国普渡大学（Purdue University）Davidson化学工程学院的Edwin A. Rodriguez-Gil和Rakesh Agrawal团队在《Cell Reports Physical Science》发表突破性研究，提出电反应塔（Electric Reaction-Towers, ERTs）这一创新设计。通过将反应器分解为多个独立控温的加热阶段，ERTs能动态调整有效反应区长度，在功率和进料量变化时维持关键无量纲数群（如Π₁=ρLAD_r^ref/?d²）恒定，从而保证产物选择性和收率稳定。

研究团队采用计算模拟结合无量纲分析的方法开展验证。以乙烷裂解制乙烯为模型体系，基于Sundaram-Froment动力学模型建立二维传热-反应耦合模型。通过对比固定长度反应器与ERTs在50%负荷下的性能差异，发现传统设计即使优化功率输入仍损失22%乙烯收率，而ERTs通过缩短50%有效反应长度完美维持40%的目标产物浓度。

研究结果部分揭示：

1. 固定长度反应器的根本缺陷：当功率与进料同步降低时，过度延长的停留时间导致副反应加剧，如图2D所示

   
   ，乙烯质量分数从40%降至31%。

2. ERTs的调控机制：通过选择性激活加热区段（图3A/B）

   
   ，在60 g/s进料时仅需激活下半区加热元件，保持10 kW/m的功率密度即可复现设计工况的温场分布（图5A）
   
   。

3. 全工况性能验证：如图5C/D所示，ERTs在0-100%负荷范围内乙烯收率保持40%恒定线，而传统反应器始终低于基准值，证实动态长度调节的核心优势。

研究结论指出，ERTs通过三大创新突破现有技术瓶颈：① 内部嵌入式加热元件消除管壁传热限制；② 模块化设计支持垂直/水平多形式布置（图4）；③ 简化控制策略——仅需按比例调节激活区段数即可响应波动。该技术可将季节性储能需求降低一个数量级，使11.6MW级工厂的电池需求从14,000MWh降至合理范围。

这项研究开创了过程设备主动适应能源波动的全新范式，不仅适用于乙烯裂解，还可拓展至蒸汽重整、丙烷脱氢等高温吸热过程。未来通过CFD优化加热元件排布（图3C/D螺旋/平行结构）

，结合瞬态响应策略开发，有望推动化工生产从"能源跟随"转向"过程主导"的智慧化转型，为可再生能源时代提供关键基础设施支撑。