反应与分离耦合的天然气水蒸汽重整热力学模型

【摘要】： 随着对高纯度的分布式氢源的需求日益增加,在小型制氢反应器的研发中,流化床钯膜制氢方式逐渐受到人们的关注,由于氢气选择性透过膜的分离过程与反应过程的耦合,使得膜反应器中甲烷水蒸汽重整模也越来越受到人们的关注,然而以往所建立的模型没有真正将氢气的分离过程和重整反应过程耦合起来,并且没有空气引入时考虑NH3的生成。 基于最小吉布斯自由能原理和Siverts’Law的氢气分离公式,利用MATLAB和EXCEL建立膜反应器中甲烷水蒸汽重整的全混流模型(CSTR模型),该模型能将氢气的生产过程和氢气的分离过程耦合起来,并深入研究了反应中操作条件对积碳和NH3的产生的影响。该模型与Ye的平推流(PFR)模型(Internaltional Journal of Hydrogen Energy,2009, 34: 4755-4762.)进行了比较。模拟结果显示,在膜渗透能力小于15Km或者大于100Km时,CSTR模型和PFR模型都能很好的反应实际反应中甲烷和氢气产率,当膜渗透能力在15Km到100Km之间时,PRF模型预测的甲烷转化率和氢气产率大于CSTR的相应的预测值。 为了验证模型的准确性,将该模型与Adris(Chem.Eng.Sci, 1994, 49: 5833-5843)、Roy(Chemical Engineering Science, 1999, 54: 2095-2102.)和Mahecha-Botero(ChemicalEngineering Science, 2008, 64: 2752-2762)文献中实验数据的进行了比较,结果发现模型计算结果能与文献中数据有很好的吻合。 在验证模型可行性基础上,又利用该模型研究了温度、压力、膜厚度、膜面积、水碳比、氧碳比、膜测压力、吹扫气等对甲烷转化率、氢气产率、积碳的生成以及NHX和NOX的影响。研究表明:氢气透过钯膜能够打破原有的热力学平衡,降低了NH3的生成量,促进反应向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。但是钯膜的加入增加了积碳的生成,降低反应器的操作温度,提高反应器的压力、SC、OC都能有效的降低积碳的生成。 搭建了流化床膜反应器中甲烷水蒸汽重整反应的实验平台。实验发现甲烷转化率和氢气的产率随着温度的升高而升高,随着操作压力的增加,甲烷转化率降低,氢气产率升高。而当水碳比增加时,甲烷转化率增加,氢气产率先增加后降低。实验结果和CSTR的模拟结果比较一致。 【关键词】：流化床膜反应器 甲烷水蒸汽重整 积碳 制氢 模型
【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12-22
• 1.1 氢能技术发展概述12
• 1.1.1 氢能概述12
• 1.1.2 制氢方式的研究进展12
• 1.2 天然气重整制氢的研究进展12-15
• 1.2.1 天然气制氢方法12-14
• 1.2.2 天然气水蒸汽重整反应器的研究进展14-15
• 1.3 天然气水蒸汽重整反应模型的研究进展15-21
• 1.3.1 动力学模型15-16
• 1.3.2 热力学模型16-17
• 1.3.3 热力学模型和动力学模型的比较17-21
• 1.4 研究意义21-22
• 第二章甲烷水蒸汽重整的热力学模型的建立22-30
• 2.1 最小Gibbs 自由能模型简介22-24
• 2.1.1 最小Gibbs 自由能的原理22-24
• 2.1.2 计算方法的选取24
• 2.2 甲烷水蒸汽重整热力学模型的建立24-28
• 2.2.1 模型组分的选取和模型的基本假设24-26
• 2.2.2 控制方程的确定26-27
• 2.2.3 模型采取的计算方法27
• 2.2.4 CSTR 模型的评价参数27-28
• 2.3 CSTR 模型和PFR 模型的比较28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 模型验证30-36
• 3.1 模型与A. M.Adris的文献数据的比较30-31
• 3.2 模型与 S.Roy的文献数据的比较31-33
• 3.3 模型与Mahecha-Botero的文献数据的比较33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第四章 操作条件对反应器性能的影响分析36-58
• 4.1 操作参数对甲烷转化率和氢气产率的影响36-43
• 4.1.1 温度影响36-37
• 4.1.2 压力的影响37-38
• 4.1.3 水碳比(SC)的影响38-40
• 4.1.4 氧碳比的影响40-41
• 4.1.5 膜侧压力的影响41-42
• 4.1.6 吹扫气的影响42-43
• 4.2 操作参数对积碳的影响43-49
• 4.2.1 温度对积碳的影响43-45
• 4.2.2 水碳比对积碳的影响45-46
• 4.2.3 压力对积碳的影响46-47
• 4.2.4 氧碳比对积碳的影响47-48
• 4.2.5 膜侧压力对积碳的影响48
• 4.2.6 吹扫气对积碳的影响48-49
• 4.3 操作参数对NH3的影响49-56
• 4.3.1 温度的影响49-50
• 4.3.2 压力的影响50-51
• 4.3.3 水碳比的影响51-53
• 4.3.4 氧碳比的影响53-54
• 4.3.5 膜侧压力的影响54-55
• 4.3.6 吹扫气的影响55-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第五章 流化床膜反应器制氢的实验研究58-81
• 5.1 钯膜组件的设计、加工与性能58-67
• 5.1.1 钯膜组件的设计58-60
• 5.1.2 钯膜组件的加工60-63
• 5.1.3 钯膜组件性能测试63-67
• 5.2 流化床膜反应器测试装置67-75
• 5.2.1 流化床膜反应器的设计的加工67-72
• 5.2.2 实验装置72-75
• 5.3 实验操作步骤75-76
• 5.4 实验结果及分析76-80
• 5.5 本章小结80-81
• 结论81-84
• 参考文献84-91
• 攻硕士学位期间取得的研究成果91-92
• 致谢92

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