流化床膜反应器用于天然气制氢的研究

【摘要】： 近年来,由于氢燃料电池在各种分布式能源系统中的大量应用,对高纯度的,廉价的分布式氢源的需求日益增加。在众多的小型制氢反应器的研发中,流化床钯膜制氢方式由于其诸多的优点逐渐受到人们的关注。解东来老师在2006年提出了一种膜组件呈环形放射状排列的流化床膜反应器概念设计。本课题利用Aspen Plus建立了流化床膜反应器的热力学平衡模型并对其主要操作条件对反应性能的影响进行了研究,对流化床催化剂性能进行了实验研究,设计了一种新型的流化床膜反应器并进行了相关实验。 论文主要包含以下几个方面的内容: 利用Aspen Plus建立了流化床膜反应器的热力学平衡模型。该模型将流化床膜反应器分为多个连续的子反应模块和膜分离模块。水汽重整反应采用Aspen Plus中的最小吉布斯自由能反应器模块,用Fortran语言编写嵌入Aspen Plus中的模块模拟合成气中氢气透过膜的过程。模型计算结果能与文献中数据有很好的吻合。通过模型对反应压力、温度、水碳比、膜内侧压力、以及膜透过能力等研究表明:氢气透过钯膜能够打破原有的热力学平衡,促进反应朝氢气产生的方向进行;甚至能抵消压力对反应的不利影响等。 流化床催化剂性能测试:催化剂是决定反应性能的一重要因素,良好的催化剂能够实现反应接近化学热力学平衡。为了检测催化剂的性能,在实验室中搭建了一套催化剂性能测试系统,对催化剂的基础数据及催化性能进行测试。结果表明催化剂有很好的催化作用,催化反应能接近化学热力学平衡。 一种新型流化床膜反应器制氢装置设计,该反应器高2 m,反应区内径280 mm,反应器内安置了16块双面贴有钯银合金的透过性膜,有效膜分离面积为130 cm2。膜厚度25 um,膜贴于多孔烧结金属板上。空气从反应器的顶部引入到反应器底部的空气分布器。钯膜组件与空气分布器都是环形放射状安置于反应器底部反应区。设计了一种新型的天然气制氢工艺,主要包括:原料供应系统,反应及分离系统,尾气处理系统。该制氢系统在四川遂宁中石油西南油气田磨深一号井进行了现场试验。 【关键词】：流化床 模型 催化剂 工艺流程设计
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 课题研究背景以及意义12-14
• 1.1.1 氢气的应用与市场12-13
• 1.1.2 天然气制氢的重要性13
• 1.1.3 目前天然气制氢工业存在的问题以及开发新工艺的意义13-14
• 1.2 天然气制氢研究现状14-24
• 1.2.1 天然气制氢原理及氢气提纯14-16
• 1.2.2 天然气制氢新型反应器的发展进展16-24
• 1.3 研究内容24-26
• 第二章 流化床膜反应器反应模型的建立与模拟26-40
• 2.1 流化床膜反应器模型的建立26-31
• 2.1.1 典型的流化床膜反应器制氢反应过程26-27
• 2.1.2 模型建立背景与意义27
• 2.1.3 建模平台介绍27-28
• 2.1.4 模型建立28
• 2.1.5 模型在Aspen Plus 中求解28-30
• 2.1.6 模型中子模块数量m 的确定30-31
• 2.2 模型的验证31-32
• 2.3 流化床膜反应器模型的模拟与讨论32-38
• 2.3.1 反应温度及膜透过能力对反应器性能的影响32-34
• 2.3.2 反应压力及膜透过能力对反应器性能的影响34-35
• 2.3.3 水碳比及膜透过能力对反应器性能的影响35-37
• 2.3.4 膜内侧压力及膜透过能力对反应器性能的影响37-38
• 2.4 本章小节38-40
• 第三章 流化床催化剂化学反应性能研究40-51
• 3.1 实验目的40
• 3.2 相关参数计算40-42
• 3.2.1 催化剂平均粒径的测量40-41
• 3.2.2 催化剂堆积密度测量41
• 3.2.3 流化参数计算41
• 3.2.4 沉降分离高度(transport disengagement height,TDH)41-42
• 3.3 流化床催化剂化学性能测试平台设计42-47
• 3.3.1 反应器设计42-44
• 3.3.2 流化床催化剂化学性能测试流程设计44-46
• 3.3.3 实验仪器46
• 3.3.4 实验操作46-47
• 3.4 实验结果的分析和讨论47-50
• 3.4.1 最小流化流化速度Umf47
• 3.4.2 气相色谱校正实验47-49
• 3.4.3 流化床催化剂化学性能测试结果讨论49-50
• 3.5 本章小节50-51
• 第四章 20NM3/H 天然气制氢系统的研发51-63
• 4.1 流化床膜反应器研发51-53
• 4.1.1 反应介质及条件51
• 4.1.2 一种膜组件呈环形放射状排列的流化床膜反应器概念设计51-53
• 4.2 反应器内各组件结构设计53-54
• 4.2.1 反应器主体53
• 4.2.2 法兰53
• 4.2.3 内部组件53-54
• 4.2.4 钯膜组件54
• 4.2.5 尾气过滤器54
• 4.3 20 NM~3/H 天然气制氢系统工艺流程54-56
• 4.4 装置组装与中试56-59
• 4.4.1 工厂组装56-57
• 4.4.2 现场组装57-59
• 4.4.3 装置调试与运行59
• 4.4.3.1 装置调试59
• 4.4.4 装置运行59
• 4.5 数据采集及处理59-61
• 4.5.1 数据采集方式59
• 4.5.2 主要测试结果讨论59-61
• 4.5.2.1 氢气产量60
• 4.5.2.2 床层温度均匀性60-61
• 4.6 小节61-63
• 结论63-65
• 参考文献65-69
• 附录169-72
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果72-74
• 致谢74

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