蜂窝催化剂中甲醇自热重整制氢反应的研究

论文摘要

本论文以研发高效的氢源系统为目标,采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法对ZNO-CR2O3/CEO2-ZRO2整体催化剂上的甲醇自热重整制氢反应进行了系统的研究,解决了甲醇重整制氢过程中重整催化剂和反应器的优化设计以及放大过程涉及的反应工程问题。通过正交实验系统研究了整体催化剂上甲醇自热重整制氢体系的反应动力学;利用方差分析得出反应温度、空速、水醇摩尔比和氧醇摩尔比都是影响甲醇的转化率、氢产率和CO选择性的重要因素,而且其影响的显著程度依次减弱。采用平板式石英玻璃反应器测试了蜂窝催化剂内的轴向浓度分布,并据此对甲醇自热重整反应的反应路径进行了探讨。结果表明,甲醇水蒸气重整反应在整个催化剂床层上发生,而甲醇完全氧化反应和甲醇分解反应则主要在催化剂床层前段发生。建立了蜂窝反应器内多反应耦合过程的三维数学模型,运用CFD软件对重整器内的温度分布、浓度分布进行了数值计算,模拟与实验结果吻合良好。对蜂窝反应器进行结构优化设计,分析了催化剂长度、高径比、开孔率和载体材质对反应特性的影响,得出此蜂窝反应器最优的结构参数。采用多孔介质模型考察了反应器入口分布方式对75kW重整制氢系统反应效果的影响,并对放大后的反应器内的流场分布进行了数值模拟,结果表明该模型能够比较准确地预测反应器内的场分布。研究了反应器的入口扩张管对反应的影响规律,为反应器的最优化设计提供了理论指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 甲醇重整制氢的背景和意义
• 1.2 甲醇重整制氢的发展历程及研究现状
• 1.2.1 甲醇重整制氢反应
• 1.2.2 甲醇重整制氢催化剂研究状况
• 1.2.3 甲醇重整制氢反应的反应机理及动力学研究现状
• 1.3 整体式结构催化剂和反应器
• 1.3.1 整体式结构催化剂研究与进展
• 1.3.2 整体式结构催化剂的特点
• 1.3.3 整体式结构反应器
• 1.3.4 现有整体式结构反应器模型
• 1.4 本论文的工作思路
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 拟采取的研究方案
• 参考文献
• 第二章 甲醇自热重整制氢反应动力学的研究
• 2.1 催化剂制备及评价
• 2.2 动力学实验流程
• 2.3 动力学设计的反应条件
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 动力学表达式的推导
• 2.4.2 反应速率的测量与求解
• 2.4.3 动力学方程的统计检验
• 2.4.4 分析与结果讨论
• 2.5 方差分析
• 2.5.1 正交实验结果
• 2.5.2 方差分析结果
• 2.6 小结
• 参考文献
• 第三章 蜂窝催化剂内浓度分布的实验研究
• 3.1 反应器设计思路
• 3.2 反应因素对浓度场的影响
• 3.2.1 温度对浓度场的影响
• 3.2.2 空速对浓度场的影响
• 3.2.3 水醇比对浓度场的影响
• 3.2.4 氧醇比对浓度场影响
• 3.3 反应机理分析
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 重整制氢反应器模型及结构优化
• 4.1 反应器模型建立
• 4.1.1 目标反应体系
• 4.1.2 反应速率方程
• 4.1.3 物理模型
• 4.2 数学模型
• 4.3 边界条件
• 4.3.1 多通道模型的边界条件
• 4.3.2 多孔介质模型的边界条件
• 4.4 模型求解及验证
• 4.4.1 两种模型模拟浓度场分布（参考点工艺条件）
• 4.4.2 水醇比对浓度场分布的影响
• 4.4.3 温度对浓度场分布的影响
• 4.4.4 空速对浓度场分布的影响
• 4.4.5 氧醇比对浓度场分布的影响
• 4.5 结构因素对反应器性能的影响
• 4.5.1 催化剂长度的优化设计
• 4.5.2 催化剂高径比的优化设计
• 4.5.3 催化剂孔道结构的优化设计
• 4.5.4 催化剂载体材质的优化设计
• 4.6 小结
• 参考文献
• 第五章 75KW 重整制氢反应器的设计与应用
• 5.1 75KW 重整制氢反应器的结构设计
• 5.1.1 75kW 重整制氢反应器的结构
• 5.1.2 入口流体分布器设计
• 5.2 75KW 蜂窝反应器模型
• 5.2.1 模型方程的建立
• 5.2.2 网格生成
• 5.2.3 计算的边界条件
• 5.2.4 模拟结果和讨论
• 5.3 蜂窝反应器温度场的实验研究及其与数值模拟的对比
• 5.4 反应因素对温度场和浓度场分布的影响
• 5.4.1 不同进口温度的影响
• 5.4.2 不同进口流速的影响
• 5.5 75KW 重整反应器的改进和优化
• 5.6 小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 进一步工作设想
• 作者简介及发表论文
• 致谢