蒸汽重整反应-膜分离一体化制氢的研究
发布时间：2021-02-10 18:51
氢能是世界上公认的清洁能源,其单位质量热值最高,燃烧产物为水,环境友好。作为质子交换膜燃料电池的燃料是氢能的主要应用领域。将膜分离器应用于甲烷蒸汽重整反应-膜分离一体化制备高纯氢是当前氢能研究的热点之一。在适宜的温度下,H2能够从Pd膜的高压侧向低压侧渗透,实现膜分离制备纯氢。将Pd膜与天然气蒸汽重整制氢结合,H2透过Pd膜被源源不断地移出原料侧,能够打破反应的热力学平衡,在较低温度下获得较高的CH4转化和H2收率。首先,本文采用两种热力学方法进行了基于Pd膜的反应-分离一体化计算,获得了温度、压力、水碳比及不同的氢气分离比率等条件下,CH4转化率和产品干气中H2含量等的规律性认识。进而针对典型的天然气蒸汽重整产品干气组成,采用不同CO2和CO含量的原料气,在不同温度、压力和流量条件下进行了 Pd膜分离制纯氢的研究。结果表明,流量和温度对Pd膜分离H2的影响较小,压力和COx含量对Pd膜分离H2有很多影响。高压和低COx有利于H2的分离,高压和高COx会导致副反应逆水气变换反应和甲烷化反应加剧。在上述基础上,将甲烷蒸汽重整与Pd膜分离集成进行了反应-分离一体化制氢研究。结果显示温度和压...
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１天然气蒸汽重整制氢工艺流程图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｆｌｏｗ?ｃｈａｒｔ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｎａｔｕｒａｌ?ｇａｓ?ｓｔｅａｍ?ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ??
中国石油大学（北京）硕士专业学位论文??的过程中，将氢气从反应器中移除出来，一定程度上打破了热力学平衡的桎梏，??提禽了?ＣＨ４利用率。其中的氢气分离膜是能够实现氢气分离过程的核心部件。??ｃｈ４．?ｈ２ｏ??ｓｐ?Ｍｅｔｈａｎｅ??Ｃａｔａｌｙｚｅｒ?．?Ｈ?Ｉ?Ｉ?＾?Ｃａｒｂｏｎ?ｄｉｏｘｉｄｅ??Ｓｕｐｐｏｒｔ＾?＾?Ｈｙｄｒｏｇｅｎ??鐵?＊?Ｓｈｅｌｌ?Ａ?Ｗａｔ＾ｒ??Ｍｅｍｂｒａｎｅ?－－——￣?＼＿ｚ?Ｊ?Ｉ雜?—Ｗａｔｅｒ??．．??％?Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ??Ｆ??ＣＨ４、Ｈ２〇、Ｈ２、ｃ〇、ｃ〇２??图１．２蒸汽重整反应－膜分离制氢原理图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｂｙ?ｓｔｒｅａｍ?ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ?ｒｅａｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｍｅｍｂｒａｎｅ??ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ??１３．２膜分离原理??目前，钯金属分离膜是研究最为广泛的氢气分离膜，Ｐｄ膜能够将吸附在表面??的氢分子转化为氣原子，氢原子在压力差的作用下透过Ｐｄ膜，并在膜的身一侧重??新形成氢分子。从理论ｉ来说，致密而无缺陷的Ｐｄ膜氢气的选择性应为１００％。??Ｐｄ膜分离氢气的原理图如图１．３所示［２５］。??研究者们已经广泛研究了氢渗透通过Ｐｄ膜的机理，该过程遵循溶液扩散机制。??从高压气体区域到低压气体区域的氢气输送涉及的步骤如下：??（ａ）氢分子扩散到Ｐｄ膜表面；??（ｂ）钯表面上的可逆解离吸附；??（ｃ）原子氢溶解到金属本体中；??（ｄ）原子氢通过金属本体扩散；??（ｅ）钯表面上氢原子的缔合；??－５?－??
?第１章文献综述???（ｆ）分子編＾从表面解吸；??（ｇ）分子氣扩散离开表面６??Ｍｅｍｂｒａｎｅ??Ｈｙｄｒｏｇｅｎ??＾?Ｈｙｄｒｏｇｅｎ??，－ｊ??图１．３钯膜透氢原理图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐａｌｌａｄｉｕｍ?ｍｅｍｂｒａｎｅ??通常，氧渗透由以下等式描述：??Ｊ＝ｐｙ￣（ｐｊ：－ｐｎ?（１．４）??１ｊ??在等式中，Ｊ是复通量，ｉ５是渗透率，ｉ：是Ｐｄ膜层的厚度，Ｐａ和乃分别是高??压侧（原料侧）和低压侧（氢气侧）的氢气分压是压力指数，通常在０．５至１的范围，??取决于步骤（ａ－ｇ）中控速步骤。因为扩散速率与Ｐｄ膜两侧的氢原子浓度相关，并且??该浓度为与盤气分压的《次方成比例。根据西弗特定律Ｓ速率控制步骤是??步骤（ｃ）Ｐｄ膜层的体扩散时，》的值为０．５。当步骤（ａ，?ｇ）氢分子进出表面、步骤（ｂ）??解离吸附或步骤（ｅ）氢分子的缔合解吸变为速率控制步骤时，《为１，此时这些过程??的速率取决于慧分子的浓度＊?Ｐｄ膜很薄（＜?５?ｐｍ）时＊氢分子扩散速率很醫据报＝．道??雜Ｐｄ膜．（＜?５?ｐｍ）的ｗ值为０．５？０．８［２９－构；在Ｐｄ屋较厚（＞?５陣）的情况下．，《像一般??小于０．５，《值若大于０．５可归因于氢滲透的缺陷或针孔降３３］。??－６?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国发布氢能与燃料电池技术战略方向规划目标[J]. 舟丹. 中外能源. 2017(08)
[2]甲醇重整制氢方法的研究[J]. 王小美,李志扬,朱昱,倪红军,袁银男. 化工新型材料. 2014(03)
博士论文
[1]膜反应器中甲烷蒸汽重整制氢的研究与模拟[D]. 卢红.四川大学 2002
硕士论文
[1]钯膜反应器中反应吸附强化甲烷水蒸气重整制氢的研究[D]. 吴成.浙江大学 2013
本文编号：3027829
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１天然气蒸汽重整制氢工艺流程图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｆｌｏｗ?ｃｈａｒｔ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｏｆ?ｎａｔｕｒａｌ?ｇａｓ?ｓｔｅａｍ?ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ??
中国石油大学（北京）硕士专业学位论文??的过程中，将氢气从反应器中移除出来，一定程度上打破了热力学平衡的桎梏，??提禽了?ＣＨ４利用率。其中的氢气分离膜是能够实现氢气分离过程的核心部件。??ｃｈ４．?ｈ２ｏ??ｓｐ?Ｍｅｔｈａｎｅ??Ｃａｔａｌｙｚｅｒ?．?Ｈ?Ｉ?Ｉ?＾?Ｃａｒｂｏｎ?ｄｉｏｘｉｄｅ??Ｓｕｐｐｏｒｔ＾?＾?Ｈｙｄｒｏｇｅｎ??鐵?＊?Ｓｈｅｌｌ?Ａ?Ｗａｔ＾ｒ??Ｍｅｍｂｒａｎｅ?－－——￣?＼＿ｚ?Ｊ?Ｉ雜?—Ｗａｔｅｒ??．．??％?Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ??Ｆ??ＣＨ４、Ｈ２〇、Ｈ２、ｃ〇、ｃ〇２??图１．２蒸汽重整反应－膜分离制氢原理图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ?ｂｙ?ｓｔｒｅａｍ?ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ?ｒｅａｃｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｍｅｍｂｒａｎｅ??ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ??１３．２膜分离原理??目前，钯金属分离膜是研究最为广泛的氢气分离膜，Ｐｄ膜能够将吸附在表面??的氢分子转化为氣原子，氢原子在压力差的作用下透过Ｐｄ膜，并在膜的身一侧重??新形成氢分子。从理论ｉ来说，致密而无缺陷的Ｐｄ膜氢气的选择性应为１００％。??Ｐｄ膜分离氢气的原理图如图１．３所示［２５］。??研究者们已经广泛研究了氢渗透通过Ｐｄ膜的机理，该过程遵循溶液扩散机制。??从高压气体区域到低压气体区域的氢气输送涉及的步骤如下：??（ａ）氢分子扩散到Ｐｄ膜表面；??（ｂ）钯表面上的可逆解离吸附；??（ｃ）原子氢溶解到金属本体中；??（ｄ）原子氢通过金属本体扩散；??（ｅ）钯表面上氢原子的缔合；??－５?－??
?第１章文献综述???（ｆ）分子編＾从表面解吸；??（ｇ）分子氣扩散离开表面６??Ｍｅｍｂｒａｎｅ??Ｈｙｄｒｏｇｅｎ??＾?Ｈｙｄｒｏｇｅｎ??，－ｊ??图１．３钯膜透氢原理图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐａｌｌａｄｉｕｍ?ｍｅｍｂｒａｎｅ??通常，氧渗透由以下等式描述：??Ｊ＝ｐｙ￣（ｐｊ：－ｐｎ?（１．４）??１ｊ??在等式中，Ｊ是复通量，ｉ５是渗透率，ｉ：是Ｐｄ膜层的厚度，Ｐａ和乃分别是高??压侧（原料侧）和低压侧（氢气侧）的氢气分压是压力指数，通常在０．５至１的范围，??取决于步骤（ａ－ｇ）中控速步骤。因为扩散速率与Ｐｄ膜两侧的氢原子浓度相关，并且??该浓度为与盤气分压的《次方成比例。根据西弗特定律Ｓ速率控制步骤是??步骤（ｃ）Ｐｄ膜层的体扩散时，》的值为０．５。当步骤（ａ，?ｇ）氢分子进出表面、步骤（ｂ）??解离吸附或步骤（ｅ）氢分子的缔合解吸变为速率控制步骤时，《为１，此时这些过程??的速率取决于慧分子的浓度＊?Ｐｄ膜很薄（＜?５?ｐｍ）时＊氢分子扩散速率很醫据报＝．道??雜Ｐｄ膜．（＜?５?ｐｍ）的ｗ值为０．５？０．８［２９－构；在Ｐｄ屋较厚（＞?５陣）的情况下．，《像一般??小于０．５，《值若大于０．５可归因于氢滲透的缺陷或针孔降３３］。??－６?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国发布氢能与燃料电池技术战略方向规划目标[J]. 舟丹. 中外能源. 2017(08)
[2]甲醇重整制氢方法的研究[J]. 王小美,李志扬,朱昱,倪红军,袁银男. 化工新型材料. 2014(03)
博士论文
[1]膜反应器中甲烷蒸汽重整制氢的研究与模拟[D]. 卢红.四川大学 2002
硕士论文
[1]钯膜反应器中反应吸附强化甲烷水蒸气重整制氢的研究[D]. 吴成.浙江大学 2013
本文编号：3027829
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