壁面进气回热型微反应器内甲烷催化部分氧化耦合水蒸气重整制合成气特性的数值研究

摘要

随着石油资源的日益减少和石油资源价格上涨，天然气的开发利用日益得到重视。间接转化法目前已成为世界天然气化工的研究重点，通过甲烷催化重整反应将天然气和其他原料气先转化成合成气，再用合成气为原料合成液体燃料或者化工原料。甲烷重整制合成气包括甲烷水蒸气重整（SRM）、甲烷二氧化碳重整（CDR）、甲烷部分氧化（POM）等多种制取合成气的技术方式，这些方法的优势显而易见，但也存在一些缺点。
　　针对目前甲烷催化重整反应中存在的甲烷转化率不高、合成气收率低、能耗高及容易“飞温”失控的问题，本文在常规平板式微反应器的结构基础上提出了一种具有回热及壁面进气结构的平板式微反应器模型。采用回热结构能够对未反应氧气进行预热，较好地控制反应的进度，避免剧烈放热反应带来的“飞温”问题；采用壁面进气结构能增大流场混合扰动，有效促进了甲烷催化重整反应，同时能有效控制反应速度，提高反应过程的安全性。通过数值模拟的方法对该型微反应器的反应通道倾角，壁面小孔的布置列数、半径大小、间距大小、排布方式等结构参数进行了优化设计。
　　对经过优化设计的具有回热和壁面进气结构的渐扩型平板微反应器，进行了甲烷催化部分氧化制合成气特性研究，考察氧气与甲烷摩尔比、进气速度、进气温度、催化剂负载密度等基本操作条件的影响。为了有较高的甲烷转化率、H2和CO的收率和选择性，适宜的O/C选择为0.8。综合不同主入口速度对反应物转化率、产物收率、选择性以及组分质量分数沿流动方向分布的影响，选择主入口速度为0.25m/s。考虑到高温预热进气将大幅增加系统的能耗和后续实验的难度，最适主进气温度选择为800K。在反应系统具有较高的H2收率和CO收率的同时，还需考虑催化剂的制备成本，适宜的催化剂负载密度选取为2.72×10-8kmol/m2。
　　在原料气中添加水蒸气，进行了甲烷催化部分氧化耦合甲烷水蒸气重整制合成气特性的研究，考察了氧气与甲烷摩尔比、水蒸气与甲烷摩尔比、进气速度、进气温度、催化剂负载密度等基本操作条件对反应特性的影响，获得了较优的操作条件。采用甲烷催化部分氧化反应耦合甲烷水蒸气重整反应，能使反应系统达到部分自供热，增大了氢气的选择性和收率，能调节合成气中H2/CO的摩尔比。
　　本文的研究为改进重整制合成气技术提供了进一步的理论依据，具有一定意义和参考价值。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3目前研究的不足

1.4 本文主要研究内容

2 物理、数学模型及计算方法

2.1物理和数学模型

2.2反应机理

2.3计算方法

2.4数值计算验证

2.5本章小结

3 微反应器结构对反应的影响及其优化

3.1具有回热及壁面进气结构的微反应器与常规平板式微反应器的性能比较

3.2微反应器结构对甲烷催化部分氧化反应的影响及其优化设计

3.3本章小结

4 甲烷催化部分氧化制合成气的特性研究

4.1 不同O/C的影响

4.2 不同主入口速度的影响

4.3 不同进气温度的影响

4.4 不同催化剂负载密度的影响

4.5 本章小结

5 甲烷催化部分氧化耦合水蒸气重整制合成气的特性研究

5.1 不同O/C的影响

5.2 不同W/C的影响

5.3 不同主入口速度的影响

5.4 不同进气温度的影响

5.5 不同催化剂负载密度的影响

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 后续研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间撰写及发表的论文与专利目录

B.作者在攻读学位期间参加的科研项目