乙醇水蒸气重整制氢的热力学分析

论文摘要

采用吉氏自由能最小化法对包含9种物质（乙醇、乙醛、乙烯、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、碳、水和氢气）的乙醇-水蒸气重整反应系统进行了热力学分析。计算了温度为4001200K,压力为1、3和5atm,水-乙醇摩尔比为010下各组分的平衡摩尔组成。经计算表明,乙醇的平衡转化率始终为100%。高温、高水-乙醇比有利于增大单位摩尔乙醇产生的氢气量;高温、低水-乙醇比则有利于提高氢气在气相产物中的湿基摩尔分率;水-乙醇比对氢气的干基摩尔分率影响不明显,温度越高,氢气的干基摩尔分率亦越高,当温度高于800K以后,温度的影响也不再明显。高温、低水-乙醇比会导致CO的大量产生,在水-乙醇比约为1、温度为1200K附近CO的生成取得最大量约为1.9mol/molEtOH。低水-乙醇比是导致积碳的主要原因,对于较低的温度,积碳则更为严重。当温度低于650K时,碳主要由体系中的甲烷转化而来;当温度介于650K到950K之间时,甲烷、一氧化碳和二氧化碳对积碳均有贡献;当温度高于950K时,碳则主要由一氧化碳转化而来。计算结果还表明,低压有利于氢气的产生,高压则有利于一氧化碳的抑制。在综合考虑提高氢产量和产率以及抑制积碳和一氧化碳以及系统节能的基础上,乙醇水蒸气重整反应热力学上的最优反应条件为:温度为850K或者大于850K;压力为常压;水-乙醇比为8:1。此外还采用响应反应法（RERs）对氢气和一氧化碳的平衡摩尔量随系统参数变化的灵敏度进行了分析。分析结果表明,低温时,对二者灵敏度贡献较大的反应均为甲烷的水蒸气重整反应;高温时,贡献较大的则是一氧化碳的水汽变换反应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 重整制氢技术简介
• 2.1.1 传统的制氢工艺的缺点
• 2.1.2 重整制氢的分类及特点
• 2.2 水蒸汽重整制氢的平衡热力学研究进展及成果
• 2.2.1 甲烷水蒸气重整
• 2.2.2 甲醇水蒸气重整
• 2.2.3 二甲醚水蒸气重整
• 2.2.4 甘油水蒸气重整
• 2.3 乙醇水蒸气重整制氢的平衡热力学研究及进展
• 2.3.1 基于吉氏自由能最小化法的热力学分析
• 2.3.2 基于平衡常数法的热力学分析
• 2.3.3 其于灵敏度分析的热力学研究
• 2.4 课题方案
• 2.4.1 前人研究成果的不足之处
• 2.4.2 课题方案与论文主要内容
• 第三章 多组分反应系统平衡态热力学分析的一般方法
• 3.1 引言
• 3.2 吉氏自由能最小化法
• 3.3 平衡常数法
• 3.3.1 独立反应数的确定
• 3.3.2 平衡常数法基本原理
• 3.3.3 平衡常数法和吉氏自由能最小化法的等价性
• 3.4 结语
• 第四章 吉氏自由能最小化法对于乙醇水蒸气重整系统的热力学分析
• 4.1 基本假设与模型的建立
• 4.2 模型基本参数的获取
• 4.2.1 气相除水外各组分标准摩尔生成吉氏自由能的获取
• 4.2.2 气态水标准摩尔生成吉氏自由能的计算
• 4.2.3 碳摩尔吉氏自由能的计算
• 4.3 计算机程序及计算流程
• 4.3.1 Matlab 程序用于实现吉氏自由能最小化
• 4.3.2 Matlab 程序用于实现积碳临界点的计算
• 4.3.3 计算流程
• 4.4 模拟结果与分析
• 4.4.1 模拟计算值与文献值的对照
• 4.4.2 乙醇的平衡转化率
• 4.4.3 氢的生成
• 4.4.4 一氧化碳的生成
• 4.4.5 碳的生成
• 4.4.6 系统各主要气相组分的平衡摩尔分率
• 4.4.7 压力对反应系统的影响
• 4.4.8 优化点的确定
• 第五章 基于响应反应法的灵敏度分析
• 5.1 引言
• 5.2 响应反应法（RERs）基本理论介绍
• 5.3 对乙醇-水蒸气重整反应系统的灵敏度分析
• 5.3.1 对氢气的灵敏度分析
• 5.3.2 对CO 的灵敏度分析
• 5.3.3 结语
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录