微通道反应器内甲醇蒸汽重整制氢性能的研究
发布时间：2021-10-17 16:59
氢能具有能量密度高和温室气体排放量少的特点,是一种很有潜力的替代燃料。燃料电池技术是一种高效利用氢能的技术,在汽车、船舶等可移动设备上具有很大的应用前景,目前氢燃料电池中的供氢问题制约了氢能和燃料电池的广泛应用。运用甲醇蒸汽重整进行现场制氢成为有效解决上述问题的途径之一,然而反应物的均匀分配对微通道反应器内制氢性能具有重要影响,本课题针对一种新型歧管结构的微通道反应器进行甲醇蒸汽重整制氢性能的研究。反应物流量的均匀分配有利于提高反应器的传热传质特性,从而影响甲醇蒸汽制氢反应的性能。在制氢反应器中引入新型树状歧管进口结构,对不同级数的歧管结构进行流量分配均匀性实验,与数值模拟结果对比,验证该歧管结构具有较好的反应物流量均匀性。在此基础上,确定微通道反应器的尺寸参数,进行制氢实验系统的搭建。在新型微通道反应器中采用商用Cu/ZnO/Al2O3催化剂,通过实验研究操作条件对甲醇蒸汽反应性能的影响。分别研究了水醇比、液体空速、反应温度与催化剂粒径对甲醇转化率、氢气产率以及产物中各气体含量等制氢性能系数的影响,总结实验规律并提出本系统适宜的工况。实验结果表明,当催化剂粒径分布150-200目（7...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１管式反应器结构图＾??目前，管式反应器内甲醇重整是一种相对成熟的技术，但轴向温度梯度大和??催化剂的烧结导致反应器内的压降增大等问题，限制了其在工业上的进一步应用
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文??＾ＧｒｉｂｏｖｓｋｉｙＭ提出了一种自热型的管式反应器，如图１－１所示，该反应器蒸发??器、进料系统、两层膜、负载催化剂的催化单元、和一个焊有入口及出口的外壳。??催化单元是由一个用于甲醇蒸汽重整的中心区域（直径３０ｍｍ）和一个甲醇放热氧??化的外环区域（内径３６ｍｍ、外径５２ｍｍ）组成。制氢实验与数值模拟的结果表明，??系统甲醇氧化放热和制氢吸热的效率受到反应温度和入口流速的影响，当反应温??度为２９０°＿Ｃ、甲醇摩尔流速为１０ｍｍｏｌ／ｍｉｎ时，系统效率达到最大为５７％，此时??甲醇转化率为８２％，产氢率为３０．６?Ｌ／ｈ。??ｎｉｔ?ｆｉ?＇Ｓｍ?？??ｃ—，ｙ??蒸发器??图１－１管式反应器结构图＾??目前，管式反应器内甲醇重整是一种相对成熟的技术，但轴向温度梯度大和??催化剂的烧结导致反应器内的压降增大等问题，限制了其在工业上的进一步应用。??板式反应器通常集成甲醇吸热反应和放热反应，通过隔板进行热量传递为重整反??应提供热源，具有结构紧凑、容易扩大规模、换热性能好等特点［１Ｍ９］。??１５＊?１４＊?１３＂??ｉ：三丨！：?Ａ＼Ｘ＼．ＶＷ＼＼Ａ??１—孓３?＊￥Ｔ—＇?分配＾？燃烧尾气带孔板翅结构＾??￣?Ｙ?ｃｈ；ｏｈ＋ｈ２ｏ??ａ）配置图?ｂ）反应器结构图??图１－２板翅式反应器［２Ｗ??Ｐａｎ等设计了一种将吸热和放热反应集成到一个单元中的板翅式反应器??（卩？１〇，尺寸为１５〇１１１１１１＼１２５１１１１１１＼４〇１１１１１１，如图１－２所示。该？？１１单元由一个??重整室、两个蒸发室和两个燃烧室组成，增加腔室数便可达到集成扩大的目的。??实验结
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文??增强反应器的传热性能，同时达到高甲醇转化率和低Ｃ０浓度的效果。??随着微加工技术的发展，结构尺寸更小的微反应器得到了更多的关注。相较??于管式反应器和板式反应器等传统反应器，微反应器具有更高的表面积体积比以??及更好的传热传质性能，有利于制氢催化剂利用率的提高及制氢性能的提高，容??易实现规模的扩大及与燃料电池的集成化。目前，用于甲醇重整制氢微反应器主??要有有蛇形通道、平行通道、柱形交叉通道、径向流动通道及其它形式微反应器［２１］，??如图１－３所示。??ｉｉｉ?闕??ａ）蛇形通道?ｂ）平行通道?ｃ）柱形交叉通道?ｄ）径向流动通道??图１－３常见微通道反应器类型［２１］??Ｋａｗａｍｕｒａ等［２２］以硅为反应器材料，制造了一种蛇形通道微反应器的小型甲醇??重整装置，如图１－４所示，反应器尺寸为２５ｘ１７ｘ１．３?ｍｍ３，通道总长为３３３?ｍｍ，??截面积为０．６ｘ〇．４?ｍｍ２。在入口流速为１．６?ｍＬ／ｈ反应条件下的重整制氢实验结果表??明，高性能的催化剂可以比使用商用催化剂获得更高的产氢率，产氢率能达到０．０５??ｍｏｌ／ｈ，基于较低的氢气热值２４１?Ｘ?１０３?Ｊ／?ｍｏｌ，该氢气产生率对应于３．３?Ｗ的氢气??功率，该微反应器被证明能够维持适合于１Ｗ级设备（如移动电话）的产氢率。??＾?ｙ薄膜加热器?■??二氧化娃层■??■??漏?ｌｊ＼?？■板?｜?＝＾１??ａ）二维模型?ｂ）微通道结构图??图ｉ＿４小型甲醇重整装置？??Ｓｏｈｎ等ｔ２３］提出了一种自热型的甲醇蒸汽重整制氢微通道反应器，其结构如图??１－５所示。反应薄片是含有１２条长１００?ｍｍ、宽４５０?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Kinetics for hydrogen production by methanol steam reforming in fluidized bed reactor[J]. Fuxiang Zhang,Yingshuang Shi,Lijun Yang,Xiaoze Du. Science Bulletin. 2016(05)
[2]CuO/ZnO/CeO2/ZrO2催化剂上甲醇水蒸气重整制氢反应机理研究[J]. 张磊,潘立卫,倪长军,彭家喜,赵生生,王树东,胡永康,王安杰. 大连理工大学学报. 2014(01)
[3]在涂层催化剂上甲醇水蒸气重整的本征动力学研究[J]. 袁彪,于新海,王正东,涂善东. 石油化工. 2005(11)
[4]板翅式反应器中甲醇水蒸气重整制氢[J]. 潘立卫,王树东. 化工学报. 2005(03)
[5]铜系催化剂上甲醇蒸气转化制氢过程的原位红外研究[J]. 李言浩,马沛生,苏旭,胡孔诚,郝树仁,程玉春. 催化学报. 2003(02)
[6]Cr-Zn催化剂上甲醇水蒸气转化反应动力学 Ⅱ.宏观动力学[J]. 王胜年,王树东,吴迪镛,付桂芝. 石油化工. 2001(08)
[7]在Cu/ZnO/Al2O3催化剂上进行甲醇蒸气重整的动力学研究[J]. 蒋元力,黄强,王福安,Kim Dong Hyun,Lim Mee Sook. 燃料化学学报. 2001(04)
[8]Cr-Zn催化剂上甲醇水蒸气转化反应动力学Ⅰ.本征动力学[J]. 王胜年,洪学伦,王树东,吴迪镛. 石油化工. 2001(04)
博士论文
[1]甲醇水蒸气重整制氢过程强化特性研究[D]. 王国强.重庆大学 2014
本文编号：3442111
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１管式反应器结构图＾??目前，管式反应器内甲醇重整是一种相对成熟的技术，但轴向温度梯度大和??催化剂的烧结导致反应器内的压降增大等问题，限制了其在工业上的进一步应用
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文??＾ＧｒｉｂｏｖｓｋｉｙＭ提出了一种自热型的管式反应器，如图１－１所示，该反应器蒸发??器、进料系统、两层膜、负载催化剂的催化单元、和一个焊有入口及出口的外壳。??催化单元是由一个用于甲醇蒸汽重整的中心区域（直径３０ｍｍ）和一个甲醇放热氧??化的外环区域（内径３６ｍｍ、外径５２ｍｍ）组成。制氢实验与数值模拟的结果表明，??系统甲醇氧化放热和制氢吸热的效率受到反应温度和入口流速的影响，当反应温??度为２９０°＿Ｃ、甲醇摩尔流速为１０ｍｍｏｌ／ｍｉｎ时，系统效率达到最大为５７％，此时??甲醇转化率为８２％，产氢率为３０．６?Ｌ／ｈ。??ｎｉｔ?ｆｉ?＇Ｓｍ?？??ｃ—，ｙ??蒸发器??图１－１管式反应器结构图＾??目前，管式反应器内甲醇重整是一种相对成熟的技术，但轴向温度梯度大和??催化剂的烧结导致反应器内的压降增大等问题，限制了其在工业上的进一步应用。??板式反应器通常集成甲醇吸热反应和放热反应，通过隔板进行热量传递为重整反??应提供热源，具有结构紧凑、容易扩大规模、换热性能好等特点［１Ｍ９］。??１５＊?１４＊?１３＂??ｉ：三丨！：?Ａ＼Ｘ＼．ＶＷ＼＼Ａ??１—孓３?＊￥Ｔ—＇?分配＾？燃烧尾气带孔板翅结构＾??￣?Ｙ?ｃｈ；ｏｈ＋ｈ２ｏ??ａ）配置图?ｂ）反应器结构图??图１－２板翅式反应器［２Ｗ??Ｐａｎ等设计了一种将吸热和放热反应集成到一个单元中的板翅式反应器??（卩？１〇，尺寸为１５〇１１１１１１＼１２５１１１１１１＼４〇１１１１１１，如图１－２所示。该？？１１单元由一个??重整室、两个蒸发室和两个燃烧室组成，增加腔室数便可达到集成扩大的目的。??实验结
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文??增强反应器的传热性能，同时达到高甲醇转化率和低Ｃ０浓度的效果。??随着微加工技术的发展，结构尺寸更小的微反应器得到了更多的关注。相较??于管式反应器和板式反应器等传统反应器，微反应器具有更高的表面积体积比以??及更好的传热传质性能，有利于制氢催化剂利用率的提高及制氢性能的提高，容??易实现规模的扩大及与燃料电池的集成化。目前，用于甲醇重整制氢微反应器主??要有有蛇形通道、平行通道、柱形交叉通道、径向流动通道及其它形式微反应器［２１］，??如图１－３所示。??ｉｉｉ?闕??ａ）蛇形通道?ｂ）平行通道?ｃ）柱形交叉通道?ｄ）径向流动通道??图１－３常见微通道反应器类型［２１］??Ｋａｗａｍｕｒａ等［２２］以硅为反应器材料，制造了一种蛇形通道微反应器的小型甲醇??重整装置，如图１－４所示，反应器尺寸为２５ｘ１７ｘ１．３?ｍｍ３，通道总长为３３３?ｍｍ，??截面积为０．６ｘ〇．４?ｍｍ２。在入口流速为１．６?ｍＬ／ｈ反应条件下的重整制氢实验结果表??明，高性能的催化剂可以比使用商用催化剂获得更高的产氢率，产氢率能达到０．０５??ｍｏｌ／ｈ，基于较低的氢气热值２４１?Ｘ?１０３?Ｊ／?ｍｏｌ，该氢气产生率对应于３．３?Ｗ的氢气??功率，该微反应器被证明能够维持适合于１Ｗ级设备（如移动电话）的产氢率。??＾?ｙ薄膜加热器?■??二氧化娃层■??■??漏?ｌｊ＼?？■板?｜?＝＾１??ａ）二维模型?ｂ）微通道结构图??图ｉ＿４小型甲醇重整装置？??Ｓｏｈｎ等ｔ２３］提出了一种自热型的甲醇蒸汽重整制氢微通道反应器，其结构如图??１－５所示。反应薄片是含有１２条长１００?ｍｍ、宽４５０?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Kinetics for hydrogen production by methanol steam reforming in fluidized bed reactor[J]. Fuxiang Zhang,Yingshuang Shi,Lijun Yang,Xiaoze Du. Science Bulletin. 2016(05)
[2]CuO/ZnO/CeO2/ZrO2催化剂上甲醇水蒸气重整制氢反应机理研究[J]. 张磊,潘立卫,倪长军,彭家喜,赵生生,王树东,胡永康,王安杰. 大连理工大学学报. 2014(01)
[3]在涂层催化剂上甲醇水蒸气重整的本征动力学研究[J]. 袁彪,于新海,王正东,涂善东. 石油化工. 2005(11)
[4]板翅式反应器中甲醇水蒸气重整制氢[J]. 潘立卫,王树东. 化工学报. 2005(03)
[5]铜系催化剂上甲醇蒸气转化制氢过程的原位红外研究[J]. 李言浩,马沛生,苏旭,胡孔诚,郝树仁,程玉春. 催化学报. 2003(02)
[6]Cr-Zn催化剂上甲醇水蒸气转化反应动力学 Ⅱ.宏观动力学[J]. 王胜年,王树东,吴迪镛,付桂芝. 石油化工. 2001(08)
[7]在Cu/ZnO/Al2O3催化剂上进行甲醇蒸气重整的动力学研究[J]. 蒋元力,黄强,王福安,Kim Dong Hyun,Lim Mee Sook. 燃料化学学报. 2001(04)
[8]Cr-Zn催化剂上甲醇水蒸气转化反应动力学Ⅰ.本征动力学[J]. 王胜年,洪学伦,王树东,吴迪镛. 石油化工. 2001(04)
博士论文
[1]甲醇水蒸气重整制氢过程强化特性研究[D]. 王国强.重庆大学 2014
本文编号：3442111
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