膜反应器中甲烷催化重整制氢特性研究

【摘要】：能源危机和环境污染使人们对能源多样性和清洁能源提出了更高的要求，氢气以其清洁高效等优势而被认为是未来理想的能源，并且它是燃料电池的理想燃料，日益引起人们的重视。甲烷自热重整制氢反应是通过利用CH_4、H_2O和O2的反应来制得合成气的过程，通过热量的耦合，该反应可以实现自热运行。由于受热力学平衡的限制，CH_4很难实现完全转化，这浪费了原料且会造成环境污染，而燃料电池对氢气的纯度要求很高，这些都涉及到氢气的提纯。本文针对甲烷自热重整反应中的CH_4转化率不高、生成的氢气含有大量的杂质等特点，提出应用膜反应器实现催化反应和产品分离一体化，从而实现H_2提纯和促进反应平衡向生成物方向移动，促进平衡受限制的反应趋于完全转化。 本文采用热力学平衡常数法和实验研究的方法，探讨了常规反应器和膜反应器内的甲烷自热重整制氢反应特性，探索研究了温度、空碳比、水碳比、压力、流量、吹扫风等因素的变化对反应的影响。 研究结果表明：温度的升高可显著提高CH_4转化率，随着温度的升高，常规反应器中，H_2收率先增加后略有降低；膜反应器中，渗透侧H_2收率先逐渐升高，在温度T＞900K以后略有降低，反应侧H_2收率逐渐降低而后保持稳定。对于两种系统，H_2/CO摩尔比都随温度的增加急剧降低。研究得出，与常规反应器相比，达到同样的效果，膜反应器可以降低反应温度，常规反应器内800℃、膜反应器内750℃时反应效果较好。 空碳比和水碳比的增加可促进CH_4的转化，但是过多的氧气含量会导致H_2和CO收率降低，高的水碳比有利于提高H_2/CO摩尔比，可通过调节水碳比来控制H_2/CO摩尔比。当空碳比α=1，水碳比β=2时，甲烷自热重整效果较好。 进料流量的增加会降低CH_4转化率。对于膜反应器，渗透侧压力的升高会降低CH_4转化率，反应侧压力的变化对反应的影响不大。吹扫风流量的增加可及时将渗透出的H_2排出反应器，促进了H_2渗透性能，提高了H_2透过率，从而提高了CH_4转化率和生成物各组分收率和H_2/CO摩尔比。 【关键词】：甲烷自热重整 制氢 常规/膜反应器 热力学 实验研究
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 本课题的研究背景和意义8-10
• 1.2 国内外研究现状10-17
• 1.2.1 甲烷制氢技术研究现状10-13
• 1.2.2 膜反应器研究现状13-17
• 1.3 本文的主要研究内容17-18
• 2 甲烷自热重整制氢热力学分析18-50
• 2.1 甲烷自热重整体系18
• 2.2 常规反应器内甲烷自热重整热力学参数的计算18-21
• 2.2.1 反应平衡常数的计算18-20
• 2.2.2 反应平衡组分的计算20-21
• 2.3 常规反应器内甲烷自热重整热力学特性分析21-35
• 2.3.1 温度的影响22-26
• 2.3.2 空碳比的影响26-28
• 2.3.3 水碳比的影响28-31
• 2.3.4 有水/无水系统的比较31-35
• 2.4 膜反应器内甲烷自热重整热力学参数的计算35-37
• 2.4.1 反应平衡常数的计算35
• 2.4.2 反应平衡组分的计算35-37
• 2.5 膜反应器内甲烷自热重整热力学特性分析37-47
• 2.5.1 压力的影响37-42
• 2.5.2 温度的影响42-44
• 2.5.3 空碳比的影响44-46
• 2.5.4 水碳比的影响46-47
• 2.6 本章小结47-50
• 3 实验系统的搭建及测试方法50-58
• 3.1 实验方案及系统50-55
• 3.1.1 实验流程及装置50-53
• 3.1.2 气体测试系统53-55
• 3.2 催化剂的制备55
• 3.3 数据处理55-57
• 3.4 本章小结57-58
• 4 常规/膜反应器内甲烷自热重整反应特性的实验研究58-74
• 4.1 常规反应器内甲烷自热重整反应特性分析58-63
• 4.1.1 温度对反应的影响58-59
• 4.1.2 进料流量对反应的影响59-61
• 4.1.3 空碳比对反应的影响61-62
• 4.1.4 水碳比对反应的影响62-63
• 4.2 膜反应器内甲烷自热重整反应特性分析63-72
• 4.2.1 温度对反应的影响63-65
• 4.2.2 进料流量对反应的影响65-67
• 4.2.3 吹扫风对反应的影响67-69
• 4.2.4 空碳比对反应的影响69-70
• 4.2.5 水碳比对反应的影响70-72
• 4.3 本章小结72-74
• 5 结论及展望74-76
• 5.1 本文主要结论74-75
• 5.2 工作展望75-76
• 致谢76-78
• 参考文献78-84
• 附录84
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录84
• B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利目录84
• C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目84

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