膜反應器中甲烷催化重整制氫特性研究

【摘要】：能源危機和環(huán)境污染使人們對能源多樣性和清潔能源提出了更高的要求，氫氣以其清潔高效等優(yōu)勢而被認為是未來理想的能源，并且它是燃料電池的理想燃料，日益引起人們的重視。甲烷自熱重整制氫反應是通過利用CH_4、H_2O和O2的反應來制得合成氣的過程，通過熱量的耦合，該反應可以實現(xiàn)自熱運行。由于受熱力學平衡的限制，CH_4很難實現(xiàn)完全轉化，這浪費了原料且會造成環(huán)境污染，而燃料電池對氫氣的純度要求很高，這些都涉及到氫氣的提純。本文針對甲烷自熱重整反應中的CH_4轉化率不高、生成的氫氣含有大量的雜質等特點，提出應用膜反應器實現(xiàn)催化反應和產(chǎn)品分離一體化，從而實現(xiàn)H_2提純和促進反應平衡向生成物方向移動，促進平衡受限制的反應趨于完全轉化。 本文采用熱力學平衡常數(shù)法和實驗研究的方法，探討了常規(guī)反應器和膜反應器內(nèi)的甲烷自熱重整制氫反應特性，探索研究了溫度、空碳比、水碳比、壓力、流量、吹掃風等因素的變化對反應的影響。 研究結果表明：溫度的升高可顯著提高CH_4轉化率，隨著溫度的升高，常規(guī)反應器中，H_2收率先增加后略有降低；膜反應器中，滲透側H_2收率先逐漸升高，在溫度T＞900K以后略有降低，反應側H_2收率逐漸降低而后保持穩(wěn)定。對于兩種系統(tǒng)，H_2/CO摩爾比都隨溫度的增加急劇降低。研究得出，與常規(guī)反應器相比，達到同樣的效果，膜反應器可以降低反應溫度，常規(guī)反應器內(nèi)800℃、膜反應器內(nèi)750℃時反應效果較好。 空碳比和水碳比的增加可促進CH_4的轉化，但是過多的氧氣含量會導致H_2和CO收率降低，高的水碳比有利于提高H_2/CO摩爾比，可通過調(diào)節(jié)水碳比來控制H_2/CO摩爾比。當空碳比α=1，水碳比β=2時，甲烷自熱重整效果較好。 進料流量的增加會降低CH_4轉化率。對于膜反應器，滲透側壓力的升高會降低CH_4轉化率，反應側壓力的變化對反應的影響不大。吹掃風流量的增加可及時將滲透出的H_2排出反應器，促進了H_2滲透性能，提高了H_2透過率，從而提高了CH_4轉化率和生成物各組分收率和H_2/CO摩爾比。 【關鍵詞】：甲烷自熱重整 制氫 常規(guī)/膜反應器 熱力學 實驗研究
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TQ116.2
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 緒論8-18
• 1.1 本課題的研究背景和意義8-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-17
• 1.2.1 甲烷制氫技術研究現(xiàn)狀10-13
• 1.2.2 膜反應器研究現(xiàn)狀13-17
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容17-18
• 2 甲烷自熱重整制氫熱力學分析18-50
• 2.1 甲烷自熱重整體系18
• 2.2 常規(guī)反應器內(nèi)甲烷自熱重整熱力學參數(shù)的計算18-21
• 2.2.1 反應平衡常數(shù)的計算18-20
• 2.2.2 反應平衡組分的計算20-21
• 2.3 常規(guī)反應器內(nèi)甲烷自熱重整熱力學特性分析21-35
• 2.3.1 溫度的影響22-26
• 2.3.2 空碳比的影響26-28
• 2.3.3 水碳比的影響28-31
• 2.3.4 有水/無水系統(tǒng)的比較31-35
• 2.4 膜反應器內(nèi)甲烷自熱重整熱力學參數(shù)的計算35-37
• 2.4.1 反應平衡常數(shù)的計算35
• 2.4.2 反應平衡組分的計算35-37
• 2.5 膜反應器內(nèi)甲烷自熱重整熱力學特性分析37-47
• 2.5.1 壓力的影響37-42
• 2.5.2 溫度的影響42-44
• 2.5.3 空碳比的影響44-46
• 2.5.4 水碳比的影響46-47
• 2.6 本章小結47-50
• 3 實驗系統(tǒng)的搭建及測試方法50-58
• 3.1 實驗方案及系統(tǒng)50-55
• 3.1.1 實驗流程及裝置50-53
• 3.1.2 氣體測試系統(tǒng)53-55
• 3.2 催化劑的制備55
• 3.3 數(shù)據(jù)處理55-57
• 3.4 本章小結57-58
• 4 常規(guī)/膜反應器內(nèi)甲烷自熱重整反應特性的實驗研究58-74
• 4.1 常規(guī)反應器內(nèi)甲烷自熱重整反應特性分析58-63
• 4.1.1 溫度對反應的影響58-59
• 4.1.2 進料流量對反應的影響59-61
• 4.1.3 空碳比對反應的影響61-62
• 4.1.4 水碳比對反應的影響62-63
• 4.2 膜反應器內(nèi)甲烷自熱重整反應特性分析63-72
• 4.2.1 溫度對反應的影響63-65
• 4.2.2 進料流量對反應的影響65-67
• 4.2.3 吹掃風對反應的影響67-69
• 4.2.4 空碳比對反應的影響69-70
• 4.2.5 水碳比對反應的影響70-72
• 4.3 本章小結72-74
• 5 結論及展望74-76
• 5.1 本文主要結論74-75
• 5.2 工作展望75-76
• 致謝76-78
• 參考文獻78-84
• 附錄84
• A. 作者在攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文目錄84
• B. 作者在攻讀碩士學位期間申請的專利目錄84
• C. 作者在攻讀碩士學位期間參加的科研項目84

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