吸附強(qiáng)化甲烷水蒸汽重整制氫的復(fù)合催化劑及反應(yīng)動力學(xué)研究

【摘要】： 吸附強(qiáng)化甲烷水蒸汽重整制氫工藝(Adsorption Enhanced Reforming，AER)是利用CO_2吸附脫除打破化學(xué)平衡的原理，降低反應(yīng)溫度和能耗的低成本制氫方法，對化工、煉油、能源和冶金行業(yè)具有重要研究意義。 本文研究了一種可用于吸附強(qiáng)化重整制氫工藝的復(fù)合催化劑的制備方法，得到了復(fù)合催化劑的優(yōu)化配方，并在實驗室規(guī)模固定床反應(yīng)器上研究了吸附強(qiáng)化重整制氫的工藝條件及反應(yīng)動力學(xué)。 本文首先采用混漿法制備了同時具有催化和吸附作用的NiO／CaO復(fù)合催化劑，研究了不同前驅(qū)物，NiO含量以及CaO含量對催化劑性能的影響，得出優(yōu)化的催化劑配方。將復(fù)合催化劑與吸附劑催化劑混合裝填的吸附強(qiáng)化制氫效果進(jìn)行了比較，復(fù)合催化劑在H_2濃度，CH_4轉(zhuǎn)化率，以及CO_2殘余濃度等方面都明顯優(yōu)于混合裝填催化劑。 在實驗室固定床反應(yīng)器上研究了吸附強(qiáng)化重整制氫的工藝條件。研究表明，含鎳和氧化鈣的復(fù)合催化劑能顯著降低甲烷水蒸汽重整制氫的反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)速率。在反應(yīng)溫度600～640℃，反應(yīng)壓力0.2MPa和水炭比4～6范圍內(nèi)，直接可以制得H_2濃度95％以上。提高反應(yīng)壓力對反應(yīng)是不利的。提高水炭比可以明顯提高CH_4轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物H_2含量，但高水炭比需要消耗更多的能量，從節(jié)能角度考慮，合適的水炭比在4～5。 選擇在反應(yīng)溫度560～680℃，反應(yīng)壓力0.2MPa，水炭比4，甲烷空速158h~(-1)的條件下研究了復(fù)合催化劑上的反應(yīng)動力學(xué)，建立了具有吸附強(qiáng)化反應(yīng)特點的三段反應(yīng)動力學(xué)模型和機(jī)理為： (1)吸附強(qiáng)化段反應(yīng)模型和機(jī)理： (2)過渡段反應(yīng)模型和機(jī)理： (3)平衡段反應(yīng)模型和機(jī)理： 其中吸附強(qiáng)化段反應(yīng)的活化能E=236.92kJ·mol~(-1)，過渡段和平衡段反應(yīng)活化能E_1=138.36kJ·mol~(-1)，E_2=191.30kJ·mol~(-1)。經(jīng)檢驗，模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，平均相對偏差3.62％。本文的研究結(jié)果為進(jìn)一步理論和應(yīng)用研究提供了基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：吸附強(qiáng)化重整反應(yīng) 制氫 復(fù)合催化劑 工藝條件 動力學(xué)方程
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TQ116.2
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第一章 前言10-12
• 第二章 文獻(xiàn)綜述12-34
• 2.1 吸附強(qiáng)化甲烷水蒸汽重整制氫原理12-13
• 2.2 CO_2吸附強(qiáng)化甲烷水蒸汽重整反應(yīng)研究13-22
• 2.2.1 吸附強(qiáng)化重整制氫模擬研究13-15
• 2.2.2 吸附強(qiáng)化重整制氫實驗研究15-17
• 2.2.3 吸附強(qiáng)化重整制氫循環(huán)實驗研究17-22
• 2.3 用于吸附強(qiáng)化制氫的高溫CO_2吸附劑的研究22-24
• 2.3.1 水滑石類高溫CO_2吸附劑23
• 2.3.2 氧化鈣基高溫CO_2吸附劑23
• 2.3.3 氧化鈣基CO_2吸附劑的改性23-24
• 2.4 甲烷水蒸汽重整反應(yīng)的Ni系催化劑的研究24-27
• 2.4.1 甲烷水蒸汽重整反應(yīng)催化劑的種類24
• 2.4.2 不同載體的Ni系重整催化劑24-26
• 2.4.3 不同方法制備的Ni系重整催化劑26-27
• 2.5 吸附強(qiáng)化甲烷水蒸汽重整反應(yīng)動力學(xué)研究27-32
• 2.5.1 甲烷水蒸汽重整反應(yīng)動力學(xué)27-29
• 2.5.2 CO_2吸附反應(yīng)動力學(xué)29-31
• 2.5.3 吸附強(qiáng)化甲烷水蒸汽重整反應(yīng)動力學(xué)模型的建立31-32
• 2.6 文獻(xiàn)總結(jié)32-33
• 2.7 本文研究內(nèi)容33-34
• 第三章 吸附強(qiáng)化重整制氫的復(fù)合催化劑的研究34-45
• 3.1 復(fù)合催化劑的制備34
• 3.2 復(fù)合催化劑的表征34-35
• 3.2.1 SEM34-35
• 3.2.2 XRD35
• 3.3 催化劑反應(yīng)性能評價方法35-37
• 3.3.1 實驗裝置35-36
• 3.3.2 實驗步驟36
• 3.3.3 分析方法36-37
• 3.3.4 計算公式37
• 3.4 復(fù)合催化劑反應(yīng)性能評價37-44
• 3.4.1 不同前驅(qū)物制備的催化劑的比較37-40
• 3.4.2 NiO含量對催化劑活性的影響40-41
• 3.4.3 CaO含量對催化劑活性的影響41-42
• 3.4.4 復(fù)合催化劑與混合裝填催化劑的比較42-44
• 3.5 本章小結(jié)44-45
• 第四章 復(fù)合催化劑上的吸附強(qiáng)化重整制氫工藝研究45-50
• 4.1 催化劑45
• 4.2 實驗裝置45
• 4.3 實驗步驟45
• 4.4 計算公式45
• 4.5 溫度對吸附強(qiáng)化重整反應(yīng)的影響45-46
• 4.6 壓力對吸附強(qiáng)化重整反應(yīng)的影響46-48
• 4.7 水炭比對吸附強(qiáng)化重整反應(yīng)的影響48
• 4.8 本章小結(jié)48-50
• 第五章 復(fù)合催化劑上的吸附強(qiáng)化反應(yīng)動力學(xué)研究50-66
• 5.1 催化劑內(nèi)外擴(kuò)散的排除50-51
• 5.2 動力學(xué)模型的建立51-63
• 5.2.1 吸附強(qiáng)化段反應(yīng)模型的建立53-61
• 5.2.2 過渡段反應(yīng)模型的建立61-63
• 5.2.3 平衡段反應(yīng)模型的建立63
• 5.3 動力學(xué)方程的檢驗63-64
• 5.4 本章小結(jié)64-66
• 第六章 結(jié)論66-68
• 符號說明68-69
• 參考文獻(xiàn)69-73
• 致謝73

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