甲烷快速催化重整制取合成气的试验研究

【摘要】：天然气重整制取合成气(H_2和CO),然后再合成其他化工产品已经成为天然气转化利用的主导路线。天然气快速催化重整用于天然气发动机掺氢燃烧也有很好的应用前景。为了研究天然气快速催化重整反应的规律,本文设计并搭建了甲烷快速催化重整反应实验台架,采用常规浸渍法制备了Rh/α-Al_2O_3和Pt/α-Al_2O_3催化剂,开展了甲烷部分氧化重整和甲烷二氧化碳自热重整实验研究。 研究了CH_4/O_2的比例、预混合气中N_2的比例、预混合气温度、反应气体总流率对甲烷部分氧化重整中CH_4的转化率、H_2和CO的选择性、尾气中H_2/CO以及反应床内的温度分布的影响规律。主要结论如下: 1、以Rh为催化剂的甲烷部分氧化反应符合燃烧-重整反应模型,即反应生成的大部分H_2和CO是先由CH_4与O_2反应生成完全氧化产物H_2O和CO_2,再与未反应完的CH_4进行二次重整反应产生;以Pt为催化剂的甲烷部分氧化反应符合直接反应模型,即反应产生的大部分H_2和CO是由CH_4与O_2反应直接生成。 2、在甲烷部分氧化重整反应中,相同条件下,以Rh为催化剂与以Pt为催化剂相比,反应中CH_4的转化率、H_2的选择性以及尾气中H_2/CO都更高,CO的选择性相差不大,而平均反应温度更低。 3、提高反应温度,降低反应气体中O_2的分压,都有助于提高CO和H_2的选择性。 4、催化剂表面O*浓度对二次重整反应的影响大于温度对其影响;表面O*浓度对于水蒸气重整的影响大于其对于CO_2重整的影响。 5、温度对H_2脱附的影响比对CO脱附的影响大;温度的提高对水蒸气重整反应的促进作用比对CO_2重整反应的促进作用要大。 通过改变CH_4/CO_2/O_2的比例、预混合气温度等参数,考察甲烷二氧化碳自热重整中CH_4、CO_2的转化率、H_2的选择性、H_2和CO的产率、尾气中H_2/CO等的变化规律。实验发现: 1、在甲烷CO_2自热重整反应中,相同条件下,以Rh为催化剂与以Pt为催化剂相比,反应中CH_4、CO_2的转化率,H_2、CO产率,H_2的选择性以及H_2/CO都更高,而平均反应温度更低。 2、在甲烷CO_2自热重整反应中,当提高反应气体中O_2比例时,CH_4与CO_2的转化率都随之升高,可见温度对CO_2转化率的影响比O_2浓度对其影响大。 3、随着反应条件的改变,反应中CH_4转化率的变化趋势可能与部分氧化产物(H_2、CO)的选择性的变化趋势不同,但一般CH_4的转化率的变化对H_2、CO产率的变化趋势影响更大。 4、不管催化剂是Rh还是Pt,随着总流率的上升,反应物转化率上升的速度减小。 【关键词】：甲烷 快速重整 合成气 部分氧化 二氧化碳自热重整
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TE665.3
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-22
• 1.1 课题研究背景9-11
• 1.2 天然气重整技术概述11-14
• 1.2.1 水蒸气重整11-12
• 1.2.2 二氧化碳重整12-13
• 1.2.3 部分氧化重整13
• 1.2.4 自热重整13-14
• 1.3 甲烷重整技术研究现状14-21
• 1.3.1 甲烷水蒸气重整研究进展14-16
• 1.3.2 甲烷二氧化碳重整研究进展16-17
• 1.3.3 甲烷部分氧化重整研究进展17-19
• 1.3.4 甲烷自热重整研究进展19-20
• 1.3.5 快速催化重整20-21
• 1.4 本文研究的主要内容和目的21-22
• 第二章 实验系统，催化剂的制备及表征22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 实验所用的原料、反应气体以及设备22-23
• 2.2.1 实验用到的试剂、原料和气体22-23
• 2.2.2 实验中用到的设备23
• 2.3 实验台架系统介绍23-28
• 2.3.1 实验台架23-24
• 2.3.2 石英管反应器24-26
• 2.3.3 气相色谱仪的工作原理及其标定26-28
• 2.4 催化剂的制备28-29
• 2.4.1 载体材料的选择28-29
• 2.4.2 催化剂制备方法29
• 2.5 催化剂的SEM 表征29-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第三章 甲烷快速部分氧化重整的实验研究32-51
• 3.1 引言32
• 3.2 实验数据处理32-33
• 3.3 以Rh 为催化剂的甲烷部分氧化重整的实验研究33-42
• 3.3.1 预混合气温度对反应结果的影响35-37
• 3.3.2 N_2比例对反应结果的影响37-40
• 3.3.3 CH_4/O_2对实验结果的影响40-41
• 3.3.4 反应气体总流率对实验结果的影响41-42
• 3.4 以Pt 为催化剂的甲烷部分氧化重整的实验研究42-48
• 3.4.1 预混合气温度对实验结果的影响43-44
• 3.4.2 N_2比例对实验结果的影响44-45
• 3.4.3 CH_4/O_2比例对实验结果的影响45-47
• 3.4.4 反应气体总流率对实验结果的影响47-48
• 3.5 两种贵金属催化剂催化性能比较48-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第四章 甲烷快速CO_2自热重整的实验研究51-65
• 4.1 引言51
• 4.2 实验数据处理51
• 4.3 以Rh 为催化剂的CO_2自热重整的实验研究51-58
• 4.3.1 反应气体预混合气温度对反应结果的影响52-53
• 4.3.2 反应气体中CH_4的比例对反应结果的影响53-54
• 4.3.3 反应气体中CO_2的比例对反应结果的影响54-56
• 4.3.4 反应气体中O_2的比例对反应结果的影响56-57
• 4.3.5 反应气体总流率对反应结果的影响57-58
• 4.4 以Pt 为催化剂的CO_2自热重整的实验研究58-63
• 4.4.1 反应气体预混合气温度对反应结果的影响58-59
• 4.4.2 反应气体中CH_4比例对反应结果的影响59-60
• 4.4.3 反应气体中CO_2比例对反应结果的影响60-61
• 4.4.4 反应气体中O_2比例对反应结果的影响61-62
• 4.4.5 反应气体总流率对反应结果的影响62-63
• 4.5 两种催化剂对于CO_2自热重整反应性能的对比63-64
• 4.6 本章小结64-65
• 第五章 全文总结及工作展望65-67
• 5.1 全文总结65-66
• 5.2 工作展望66-67
• 参考文献67-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士学位期间发表的论文75-76
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书76-78

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